Energie Plus Le Site

Outil d'aide à la décision en efficacité énergétique des bâtiments du secteur tertiaire. Réalisé par Architecture et Climat, Faculté d'architecture, d'ingénierie architecturale, d'urbanisme (LOCI), site de Louvain-la-Neuve, Université catholique de Louvain, Belgique avec le soutien de la Wallonie.

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Author: Sylvie

Author Image Posted By : Sylvie 7 Sep, 2018

Stratégie de conception d’un bâtiment Q-ZEN (Quasi Zéro Energie)

Stratégie de conception d’un bâtiment Q-ZEN

Stratégie globale

Quelle stratégie de conception utiliser et quel « niveau d’effort sur la performance énergétique » doit-on réaliser pour répondre aux exigences du Q-ZEN Wallon ?

Pour rappel les exigences principales du Q-ZEN sont :
  • Les Umax des différentes parois du volume protégé de 0,24W/m².K sauf pour :
    • Les vitrages (1,1 W/m³.K) ;
    • Les fenêtres (1,5 W/m³.K) ;
    • Les façades légères et les portes (2,0 W/m².K).
  • Un niveau K35;
  • Le niveau Ew inférieur à 45. (90 pour les bâtiments non résidentiels autres que les parties fonctionnelles bureau et enseignement)

Pour plus de détails, allez voir notre page sur les exigences de la réglementation Q-ZEN.
Pour Energie+, la meilleure énergie reste celle que l’on ne consomme pas. Pour cette raison les priorités dans la stratégie de conception d’un bâtiment Q-ZEN sont les suivantes :

  • La première chose à faire sera de chercher à réduire les besoins d’énergie du bâtiment à leur minimum [par l’isolation thermique, un volume réduit et rationnel, un rapport entre les parois opaques et transparentes équilibré, des pare-soleil, …].
  • Lorsque les besoins du bâtiment sont réduits à leur minimum raisonnable, le concepteur devra veiller à répondre à ces besoins thermiques et électriques avec des systèmes techniques efficaces, adéquats, bien dimensionnés, bien régulés et correctement mis en place, tant au niveau de la production thermique que de la distribution des fluides, le choix des émetteurs et la régulation globale.
  • Finalement, le concepteur envisagera de produire le maximum des besoins résiduels de manière renouvelable.

Schéma sur la stratégie globale du Q-Zen wallon.

Il est important d’agir dans cet ordre [Réduire les besoins > utiliser des systèmes efficaces > exploiter des sources locales et renouvelables d’énergie] et de se pencher sur l’aspect suivant une fois que l’optimum est atteint pour chaque étape de la conception.

Les exigences Q-ZEN ne recouvrent qu’une partie des postes de consommation, pour diminuer la consommation totale du bâtiment, visitez notre page consacrée à la Stratégie de conception « soft énergie » à tous les niveaux.

Une géométrie compacte

Pour commencer, il faudra trouver l’optimum entre une grande compacité pour limiter les pertes de chaleur et une faible compacité (augmenter les surfaces de façade) pour profiter du maximum d’éclairage naturel. Selon les cas, le juste compromis sera en faveur de l’une ou de l’autre solution.

Aujourd’hui, dans les bâtiments isolés au niveau du Q-ZEN, la consommation d’éclairage représente environ ¼ des consommations.

Il convient donc, a priori, de favoriser autant que possible l’éclairage naturel en limitant la profondeur des locaux. On recommande de limiter la profondeur des bureaux au double de la hauteur du local, soit à environ 6 m. Ainsi, si deux rangées de bureaux sont séparées par un couloir central, cela donne une profondeur de bâtiment d’environ 15 m.

Pour tous les cas, à l’exception des bâtiments majoritairement composés de façades légères vitrées, une bonne pratique consiste à vérifier que le bâtiment respecte l’exigence sur le niveau K lorsque les valeurs U des parois respectent strictement les valeurs Umax.

Si le bâtiment nécessite d’aller au-delà des exigences Umax sur les parois pour atteindre le niveau K35, le concepteur doit considérer que la compacité du projet pourrait poser problème et agir sur la forme du bâtiment ou encore revoir la quantité de parois transparente à la baisse.

Lorsque le bâtiment est majoritairement composé de vitrage ou de façades légères et que le respect strict des valeurs Umax ne permet pas d’atteindre le niveau K35, la compacité ne sera alors pas nécessairement la seule à incriminer. Il faudra également envisager d’aller bien au-delà des exigences Q-ZEN sur la valeur U des façades légères pour que le niveau K puisse être respecté.

Généralement, aller en deçà du niveau K20 n’apporte que peu de gains énergétiques, car les économies sur la production de chaleur sont en bonne partie compensées par l’augmentation de la consommation pour le refroidissement et l’éclairage.

En effet, la consommation pour l’éclairage artificiel peut augmenter car, à volume égal, plus le bâtiment à un niveau K « performant », plus il est opaque (le ratio parois opaques/paroi transparentes augmente) et/ou moins il dispose de surfaces d’enveloppe extérieure. De surcroît, plus les vitrages sont isolants et plus la protection contre la surchauffe devient importante, moins leur transmission lumineuse sera bonne.

Le schéma ci-dessous illustre cette problématique. Toutefois, ces courbes ne représentent qu’une tendance générale et d’un bâtiment à l’autre, en fonction des choix techniques, du type d’occupation, de l’environnement, de la géométrie, ces tendances peuvent varier.

Courbe sur l'évolution des postes de consommation en fonction du niveau K de projets existants.
Évolution des postes de consommation (hors énergie renouvelable) en fonction du niveau K basé sur l’étude de 9 projets existants répondant aux exigences Q-ZEN

Plus d’information : Optimaliser le volume du bâtiment

Un rapport équilibré entre parois opaques et les parois translucides

Ce n’est un secret pour personne, bien que les progrès techniques soient impressionnants, les fenêtres sont moins isolantes que les parois opaques. Ainsi, un bon triple vitrage récent sera toujours trois à quatre fois plus déperditif qu’un mur opaque respectant les exigences Q-ZEN.

Alors on ne met plus de fenêtre ? NON, l’occupant a besoin d’éclairage naturel et de vues vers l’extérieur pour son confort et son bien-être. Il s’agit plutôt de trouver un équilibre optimal entre maîtrise des déperditions thermiques et bien-être. Attention, lorsqu’un bâtiment est très vitré, celui-ci risque de surchauffer. Dans ce cas, il faudra réduire le facteur de transmission solaire (facteur g) et/ou penser à la mise en œuvre de pare-soleil.

Conseil : la taille des vitrages n’est pas la seule donnée importante concernant l’éclairage. La disposition et l’orientation de ceux-ci sont tout aussi importantes. Par exemple, plus un vitrage sera haut, plus la lumière qui la traverse se diffusera profondément au sein de la bâtisse.

Opter pour une proportion de vitrage comprise entre 30 et 45 % de la surface de la façade constitue une bonne première estimation qu’il faudra affiner ensuite en fonction du programme, des orientations et de la géométrie. Pour aller au-delà de ces valeurs indicatives, il est nécessaire de porter une attention accrue sur le niveau d’isolation des vitrages, leur facteur solaire et la présence d’éventuels pare-soleil.

Plus d’information : Choisir la position et la dimension de la fenêtre

Un bon niveau d’isolation des parois

Lorsque la forme de l’édifice est définie, vient le moment de déterminer le niveau d’isolation des différents éléments constructifs du bâtiment…Dans tous les cas, les éléments devront respecter les exigences concernant les Umax . Améliorer le niveau d’isolation est vraisemblablement une des manières les plus durables et abordable de réduire les besoins en énergie du bâtiment.

De plus, en réduisant les besoins, nous pouvons nous contenter de systèmes de climatisation plus petits et donc moins coûteux (ou plus efficaces pour le même montant).

Au-delà des 10 à 15 cm d’isolant généralement requis pour répondre à l’exigence sur les Umax, chaque centimètre d’isolant supplémentaire permet de gagner parfois jusqu’à 1 point sur le niveau Ew ! Vous savez maintenant comment empocher quelques points supplémentaires !

Dans les murs récents, 95 % de la résistance thermique du mur est réalisée par la présence d’un matériau isolant dédié à cette fonction. Les matériaux isolants les plus utilisés (Laines minérales, XPS…) ont une conductivité thermique (λ) de 0,035 W/m.K. Le schéma suivant ne tient pas compte des autres matériaux constituant la paroi et donne une idée de la valeur U atteinte en fonction de l’épaisseur d’isolant « courant » qui pourra être mis en œuvre.

Courbe représentant la valeur U de la paroi en fonction de l'épaisseur de l'isolant.

Pour atteindre le standard Q-ZEN, plus le niveau d’isolation sera élevé, plus il sera facile de l’atteindre sans faire appel à des technologies complexes de production de chaud ou de froid.

Avec des valeurs U inférieures à 0,15 W/m².K pour les parois opaques et des fenêtres performantes (U<0,8 W/m².K), le bâtiment que vous concevez est déjà en bonne voie pour répondre aux 3 exigences principales du Q-ZEN (Umax, K35 et EW45) sans même avoir à y installer des technologies coûteuses ou devoir produire des énergies renouvelables sur place.

Mais maintenant que les besoins sont réduits, les systèmes nécessaires seront plus petits et donc moins coûteux !

Plus d’information : Concevoir l’isolation

Attention à l’étanchéité !

Avec des bâtiments toujours mieux isolés, la proportion des pertes par infiltration dans le total de déperdition devient non-négligeable ! Un débit de fuite à 50 Pa par unité de surface inférieur à 2 m³/h.m² doit être visé. Afin de valoriser cet effort dans le cadre d’un encodage PEB, un test Blowerdoor devra être réalisé.

Plus d’information : Concevoir l’étanchéité à l’air

Valoriser la fraîcheur de l’environnement

Le renforcement de la performance énergétique d’hiver augmente parfois le risque de surchauffe en mi-saison ou en été. Or, dans notre climat, le recours au refroidissement mécanique devrait rester exceptionnel. Des stratégies de rafraîchissement naturel, par ventilation nocturne ou par géocooling notamment, permettent de limiter ou d’éviter la consommation en été de l’énergie économisée en hiver.

Plus d’information : Valoriser la fraicheur de l’environnement

Des systèmes adaptés

La ventilation et la récupération de chaleur

Si les bâtiments étanches représentent un gros atout énergétique, les occupants ont quant à eux besoin d’air frais en grande quantité. L’atout de ventilation double flux est de pouvoir réguler la quantité d’air frais injecté dans le bâtiment pour l’adapter aux besoins du moment et répondre à la norme en matière de ventilation hygiénique pour les bâtiments non résidentiels NBN EN 13779 [2]. La présence d’un récupérateur de chaleur sur ce type de ventilation est aujourd’hui incontournable dans les immeubles de bureau désireux d’atteindre le standard Q-ZEN. Leur rendement peut atteindre les 90 % (!). Pour un coût relativement faible, 75 à 90% des pertes par ventilation peuvent ainsi être évitées !

Plus d’information  Choisir le système de ventilation.

Le système de chauffage

Un bâtiment Q-ZEN n’exclut par l’utilisation de systèmes « classiques » et permet généralement l’utilisation d’une chaudière au gaz à condensation, tout en conservant un niveau Ew répondant aux exigences Q-ZEN. Néanmoins, pour que cette solution soit viable, il faudra répondre à l’une de ces conditions :

  • Le niveau d’isolation des parois opaque atteint 0,15 W/m².K et/ou le niveau K est inférieur à 20 ;
  • OU le bâtiment est équipé d’une surface de panneaux PV équivalent à 10 % de la surface de plancher chauffé.

Par contre, lorsqu’un tel niveau d’isolation ne peut être atteint et que l’on ne dispose pas d’une surface permettant d’accueillir des panneaux photovoltaïques le concepteur des installations devra se pencher sur des techniques plus complexes et coûteuses (à la construction) comme la cogénération, une pompe à chaleur performante…

Plus d’information : Concevoir le chauffage

Le système de refroidissement

Dans les bâtiments récents, compacts et bien isolés, le problème de la surchauffe et de la consommation de froid prend de plus en plus d’importance par rapport à celui de la consommation de chauffage.

Courbe sur la tendance de l'évolution du niveau EW en fonction du niveau K pour 8 bâtiments.
Tendance de l’évolution du niveau EW en fonction du niveau K pour 8 bâtiments.

Les bâtiments ayant un niveau K inférieur à 20 auront une consommation pour le froid pouvant être équivalente voir supérieure à la consommation pour le chaud ! Et le changement climatique va renforcer cette tendance.

Comme pour le chauffage, Q-ZEN ne veut pas nécessairement dire High-tech. Dès lors que les risques de surchauffe sont bien gérés, que le bâtiment est bien isolé et que l’inertie du bâtiment est adaptée, un système de refroidissement « classique » comme une machine à compression électrique pourra dans certains cas suffire à atteindre le standard Q-ZEN. Néanmoins, dans les bâtiments fortement isolés, la part de consommation concernant le refroidissement est élevée de sorte qu’il sera toujours intéressant d’installer un système adapté et performant.

Dans le cas des bâtiments moins isolés et à défaut de panneaux photovoltaïques présents, le concepteur devra agir au moins sur la production de chaleur ou de froid pour atteindre un niveau Ew acceptable. S’il agit sur le refroidissement, il devra alors étudier la possibilité d’installer un système de : nightcooling, géocooling ou une pompe à chaleur à absorption performante selon les opportunités du projet.

Les systèmes passifs de maitrise de la surchauffe seront toujours à prescrire avant toute intervention active sur le refroidissement.

Plus d’information : Concevoir la climatisation

L’éclairage

Pour atteindre le niveau Ew de 45 exigé par la réglementation Q-ZEN pour les parties fonctionnelles bureau et enseignement, le concepteur devra valoriser au maximum la lumière naturelle et veiller à réduire le plus possible les besoins d’éclairage artificiels. La présence de détecteur de présence, d’une gestion par petite surface, de luminaires économiques et bien dimensionnés permet de gagner un grand nombre de points sur le niveau Ew à moindres frais.

Nécessité : Encodez les valeurs réelles dans le logiciel PEB : Dites non aux valeurs par défaut ! Voyez plutôt : entre les valeurs par défaut pour l’éclairage et un système bien conçu et correctement encodé, un gain de 30 à 45 points (!) sur le niveau Ew est régulièrement observé ! Autant dire que sans cela il faudra se lever tôt pour que notre bâtiment soit Q-ZEN !

Plus d’information : Concevoir l’éclairage

Produire et autoconsommer de l’énergie renouvelable

Produire de l’énergie renouvelable

Lorsque les besoins sont limités au maximum raisonnable et que les systèmes sont choisis de manière adaptée, la faible quantité d’énergie consommée pourra être partiellement ou totalement produite sur site.

Si idéalement le renouvelable devait être considéré comme un moyen, en bout de chaîne, permettant de réduire la consommation d’énergie issue du réseau, force est de constater qu’aujourd’hui les panneaux solaires photovoltaïques sont particulièrement avantageux… tant d’un point de vue économique que de leur rendement énergétique.

En effet, sans effort particulier sur l’isolation et les systèmes, la simple installation de 10 à 15 Wc/m² de surface de plancher chauffée permet dans 95 % des cas d’atteindre le standard Q-ZEN pour peu que leur exposition soit satisfaisante. Ainsi, lorsque l’on dispose d’une surface permettant l’installation de PV équivalente à ±10 % de la surface de plancher chauffée, être Q-ZEN ne sera jamais un souci, comme le montre notre étude.

Faut-il pour autant évacuer les considérations sur l’isolation et l’efficacité des systèmes ? Faut-il approcher la conception énergétique d’un bâtiment en faisant le minimum sur l’isolation et les systèmes et chercher à compenser par du PV ensuite ?

Pour qu’elle soit durable et « future-proof », la conception énergétique d’un bâtiment Q-ZEN doit être vue comme un ensemble équilibré entre performance de l’enveloppe, performance des systèmes passifs, performance des systèmes actifs et finalement consommation d’énergie produite sur site.

Le Q-ZEN ne doit pas être vu comme un objectif en soi, mais plutôt comme un minimum acceptable.
De plus, avec l’arrivée du tarif prosumer, le faible taux autoconsommation et la levée de la prime Qualiwatt sur le photovoltaïque, la solution solaire gagnera à s’inscrire dans une démarche de performance énergétique du bâtiment qui soit globale.

Plus d’information sur :

  • le photovoltaïque
  • le solaire thermique
  • l’éolien
  • la cogénération

Et n’oublions jamais que produire sa propre électricité c’est bien, la consommer : c’est mieux !

 

Author Image Posted By : Sylvie 7 Sep, 2018

Étude : Le Qzen c’est …

Étude : Le Qzen c'est ...

Introduction

En 2021, toutes les nouvelles constructions wallonnes seront devront respecter le standard Q-ZEN. Pour les bâtiments publics ce sera déjà le cas dès janvier 2019 !

Dans le cadre de ce nouveau pas réglementaire vers des bâtiments plus performants, l’équipe d’énergie plus s’est posé une série de question : qu’est-ce qu’un bâtiment Q-ZEN ? À quoi ressemble-t-il ? Embarque-t-il nécessairement du renouvelable ? Implique-t-il nécessairement un surcoût sur les techniques ? Quelle performance doit atteindre l’enveloppe ? Peut-on être Q-ZEN simplement en isolant mieux ? Le triple vitrage : nécessité ou coquetterie ?

Pour répondre à cette série de questions et bien d’autres encore, nous avons encodé 162 fichiers .PEB selon des règles bien définies (voir méthode ou hypothèses, ci-dessous).

Les résultats ou « scores » PEB bruts de ces 162 bâtiments sont ensuite passés à la loupe pour y déceler les clés de conception d’un bâtiment Q-ZEN !

Méthode

La méthode mise en œuvre s’articule en 6 étapes clés :

  1. Récupérer des fichiers PEB réels :
    De cette manière, les dimensions, les orientations, les ombrages, les géométries… seront ancrées dans le réel. L’utilisation de plusieurs fichiers PEB de base assure une certaine variabilité et représentativité des résultats.
  2. Faire varier le niveau d’isolation des bâtiments selon 3 scenarii :
    En faisant cela, nous triplons la quantité de fichiers PEB et nous pouvons juger de l’intérêt d’en améliorer les performances pour atteindre ou dépasser le niveau Q-ZEN.
  3. Faire varier les options techniques et renouvelables du projet selon 6 scénarii :
    L’utilisation de 6 scénarii différents pour les techniques et le renouvelable, bien que limité (il existe une infinité de combinaisons en réalité), permet de jauger du niveau de performance nécessaire à l’obtention de l’étiquette « Q-ZEN ». Ceci permettra de comparer, par exemple, un bâtiment mal isolé avec des techniques performantes avec ce même bâtiment bien isolé avec des techniques plus classiques.
  4. Encoder les 162 fichiers .PEB obtenus via les étapes précédentes.
  5. Afficher les résultats bruts triés par scénario d’isolation et options techniques
  6. Analyser les résultats et tirer les stratégies générales pour la conception d’un bâtiment respectant les exigences Q-ZEN. 

Échantillon

Les fichiers .PEB de base sont issus des 8 bâtiments de bureau et un édifice de formation. Ces bâtiments sont de dimensions très variables, ils ont des niveaux K et EW répondant aux standards Q-ZEN.

Fonction Superficie Niveau K Niveau EW
Bâtiment 1 Bureau ≈ 750 m² 32 45
Bâtiment 2 Bureau ≈ 7000 m² 29 45
Bâtiment 3 Bureau ≈ 300 m² 18 36
Bâtiment 4 Bureau ≈ 4 900 m² 21 29
Bâtiment 5 Bureau ≈ 100 m² 11 32
Bâtiment 6 Enseignement ≈ 1 500 m² 15 28
Bâtiment 7 Bureau ≈ 14 000 m² 28 22
Bâtiment 8 Bureau ≈ 600 m² 22 19
Bâtiment 9 Bureau ≈ 3 400 m² 18 16

 

PEB, schéma de l'échantillon.
La sélection de l’échantillon a été réalisé de manière à couvrir un maximum de superficies, de niveaux EW et K.

Hypothèses

Hypothèses pour les niveau d’isolation

3 hypothèses sont prises en compte. Les niveaux sont les suivants :

Graphique sur les 3 hypothèses niveau isolation.

Ceci correspond à :

  • Niveau d’isolation « faible » :
    • 15 cm d’isolant (λ = 0.035 W/m.K, sans tenir compte des autres couches)
    • Double vitrage performant
  • Niveau d’isolation « moyen » :
    • 18cm d’isolant (λ = 0.035 W/m.K, sans tenir compte des autres couches)
    • Double vitrage extrêmement performant ou triple vitrage classique
  • Niveau d’isolation « bon » :
    • 24cm d’isolant (λ = 0.035 W/m.K, sans tenir compte des autres couches)
    • Triple vitrage à haut rendement

Pour les façades légères :

  • le niveau d’isolation « faible » = 2W/m².K (respect de l’exigence)
  • et les niveaux « moyen » et « bon » sont les mêmes que pour les fenêtres.

Hypothèses pour les options techniques et renouvelable

6 scénarii sont évalués :

1. Installation de base (IB)

On conserve pour ce scénario tout ce qui est encodé dans le bâtiment de référence sauf que :

  • La production de chaleur devient une « simple » chaudière à eau à condensation
Vecteur Où ?  Maint.  T° Rend 30%   T° retour  Veilleuse
Gaz nat vol.prot  Non   108%  30  Non
  • Le refroidissement est réalisé « par une machine frigorifique à compression ».
Vecteur Vecteur CoP EER
Electricité 2,75
  • Le renouvelable est supprimé

2. IB + Géocooling

On part de l’installation de base sauf que :

  • Le refroidissement est réalisé « par utilisation directe du froid (géocooling) ».
Transport
Par air

3. IB + PAC

On part de l’installation de base sauf que :

  • La production de chaleur est réalisée via une PAC :
Type Resist Th. Source Ch  fluide COPtest T°dep
Electrique Non Air Nf ext   eau  4 40°C

4. IB + PAC + Géocooling

On part de l’installation de base sauf que :

  • Les options 2 (pour le refroidissement) et 3 (pour la production de chaleur) sont combinées.

5. IB + PV10%Ach

On part de l’installation de base sauf que :

  • Une surface de [Ach/10] m² de panneaux PV est installée en toiture en respectant les ombrages, orientations et inclinaisons prévues dans les projets originaux. Le cas échéant (rare) :
Orient.  Inclin. Ombrage
SUD 35°  Non

6. IB + PAC + Géocooling + PV10%Ach

On part de l’installation de base sauf que :

  • Les options 2 (pour le refroidissement), 3 (pour la production de chaleur) et 5 (pour le renouvelable) sont combinées.

Résultats

Préambule

Dans l’écrasante majorité des cas, le strict respect des valeurs Umax engendrera le respect de l’exigence K35. Il n’y a que pour les bâtiments présentant une trop forte portion de surface vitrée ou de façade légère que le strict respect des Umax pourrait ne pas entrainer le respect du niveau K35. Ainsi, pour ces bâtiments, il faudra envisager soit de réduire la portion vitrée soit d’améliorer la performance de ces surfaces au-delà des exigences.

Dans l’écrasante majorité des cas, le strict respect des valeurs Umax ET de l’exigence K35 permet de respecter l’exigence EW 90 en vigueur pour toutes les parties fonctionnelles de l’unité PEN autre que le bureau et l’enseignement… Il n’y a donc que pour ces deux dernières fonctions (devant respecter un niveau EW45) que l’analyse devra être plus fine…

Précisons avant d’afficher les résultats que ces derniers sont issus de fichiers PEB encodés en détail pour ce qui concerne par exemple l’étanchéité, l’éclairage ou encore la ventilation… En effet : lorsque des moyens matériels, financiers et humains sont investis pour améliorer la performance d’un édifice au-delà du niveau Q-ZEN, il n’est raisonnablement plus admissible de céder à certaines facilités d’encodage anéantissant tous les efforts précités. Pour mémoire, l’encodage simplifié ou par défaut peut mener à une surévaluation cumulée pouvant excéder 50 points EW !

Comme autres recommandations générales, nous pouvons également suggérer une étanchéité meilleure que 2m³/(h.m²), l’utilisation d’un système D à récupération de chaleur et d’un éclairage bien étudié et régulé.

Résultats bruts

Graphique sur les résultats bruts.

Probabilité d’être Q-ZEN, par scénario, en fonction du niveau d’isolation.

Graphique sur les scénarios par niveau d'isolation.

Les conclusions de cette étude se trouvent à la page Stratégies de conception Q-ZEN. Dans cette page, sur base des enseignements de cette étude, nous répondons aux questions que se posent les concepteurs au moment de concevoir un bâtiment Q-ZEN en proposant des repères et des Stratégies de conception. Les résultats sont également disponibles sous la forme d’un arbre de décision à télécharger.

 

Author Image Posted By : Sylvie 28 Août, 2018

Étanchéité à l’air dans le cadre d’une transformation

Comment assurer l’étanchéité à l’air d’une habitation transformée en bureaux

Étanchéité à l’air dans le cadre d’une transformation

Le bâtiment et ses voisins. (Source : ICEDD).

Une maison mitoyenne unifamiliale située à Mons a été transformée récemment en bureaux. Diverses techniques d’isolation ont été utilisées pour permettre au bâtiment d’atteindre un haut niveau de performances thermiques. L’étanchéité à l’air du bâtiment a un impact important sur son niveau EW. Comment a-t-elle atteint un niveau suffisant malgré les difficultés provoquées par la variété des techniques d’isolation mises en œuvre ?

Introduction

Le projet consiste en la rénovation et la transformation d’un bâtiment en vue d’y installer les bureaux d’une société spécialisée en expertise énergétique : Homeco. Le projet fut confié aux architectes associés Xavier BACHELART et Elie DELVIGNE.
Alors qu’il est plus facile lorsqu’on veut réaliser un bâtiment énergiquement performant  de créer un nouveau bâtiment, le maître de l’ouvrage n’a pas hésité à utiliser un immeuble ancien existant qui, de par sa situation et ses dimensions, offre une visibilité intéressante de sa société.
En y expérimentant de nouvelles techniques dans un contexte difficile, il souhaite montrer son savoir-faire à travers ce projet exemplaire.
La façade avant est rénovée et traitée de façon à retrouver son aspect d’origine. Afin de conserver son apparence, elle est isolée par l’intérieur.

Isolation par l’intérieur de la façade avant (Source : Homeco).

Par contre la partie arrière est traitée de manière plus contemporaine. Les anciennes annexes en mauvais état sont remplacées par d’autres, plus rationnelles, tout en conservant le principe des extensions en gradins. Les nouvelles annexes sont réalisées en ossature bois isolée.

Nouvelles annexes à l’arrière cohérentes avec l’environnement (Source : Homeco).

Nous allons vérifier si le bâtiment conçu en 2013 et achevé en 2015 répond déjà aux exigences de la réglementation PEB Q-ZEN qui est d’application pour les bâtiments publics à partir du 1er janvier 2019 et à partir du 1er janvier 2021 pour les autres bâtiments.
Nous allons également passer en revue les mesures qui ont été prises pour assurer la meilleure imperméabilité à l’air de l’enveloppe du volume protégé de manière à améliorer les performances énergétiques du bâtiment.

Le bâtiment

Le bâtiment d’origine est une maison unifamiliale mitoyenne comptant au-dessus des caves, un rez-de-chaussée et deux étages ainsi qu’un grenier aménagé. Une annexe à toit plat prolongeait le rez-de-chaussée sur toute la façade arrière. A l’entresol, une salle de bain formait une deuxième annexe.
Tous les planchers existants furent enlevés et remplacés par des nouveaux. Les niveaux ont été légèrement modifiés de manière à rendre plus utilisable l’étage sous toiture tout en ne modifiant pas le volume du bâtiment principal.
Les nouveaux planchers ne porteront pas sur la façade avant afin de ne pas interrompre la continuité de l’isolant et la barrière d’étanchéité à l’air placés du côté intérieur de la façade.

Continuité de l’isolant en façade avant (Source : Homeco).

Plans du bâtiment après transformations (Source : Homeco).

Isolation de l’enveloppe

De nombreuses manières d’isoler les parois de l’enveloppe du volume protégé ont été utilisées.

  • Les caves ne font pas partie du volume protégé. Le plafond des caves a donc été isolé, et ce de différentes façons et principalement par projection d’une mousse de polyuréthane sur le support en béton et pose d’une chape en ciment sur l’isolant (U = 0.15 ou 0.16 W/m²K suivant les épaisseurs).
    A certains endroits, cette isolation est encore renforcée par des plaques de mousse de polyuréthane (PUR) fixées sous le support en béton (U = 0.10 W/m²K).
    Une petite surface de 7 m² n’est isolée que de 6 cm de mousse de polyuréthane (PUR). À cet endroit U = 0.26 W/m²K et l’exigence de la PEB Umax = 0.24 W/m²K, qui est d’application en 2021, n’est pas respectée. Il suffit néanmoins d’augmenter l’épaisseur de l’isolant de 2 cm pour qu’il n’y ait plus de problème.

Isolation complémentaire au plafond des caves (source : ICEDD).

  • Côté rue, la façade existante doit rester visible. Elle est isolée du côté intérieur à l’aide de panneaux en fibre de bois (U = 0.23 W/m²K). L’isolation est prolongée de 50 cm sur les murs mitoyens pour réduire les ponts thermiques.
  • Les nouveaux murs orientés vers le jardin, en grande partie vitrés, sont de type à ossature bois remplie de cellulose. Côté extérieur, est appliqué un enduit sur isolant. (U = 0.09 ou 0.10 W/m²K suivant les épaisseurs).
  • Les murs mitoyens non bâtis (= qui sont en contact avec l’air extérieur) sont en maçonnerie de briques (existant) ou en blocs de béton cellulaire collés (neuf). Dans les deux cas, ils sont doublés du côté intérieur par une ossature en bois remplie de cellulose. (U = 0.13 ou 0.17 W/m²K suivant que la maçonnerie est en brique ou en béton cellulaire).

Façade avant : isolation par l’intérieur avec retour sur le mitoyen (source : ICEDD).

Façade arrière et murs mitoyens : ossature bois isolée  (source : ICEDD).

Façade arrière : isolation complémentaire extérieure à cimenter (source : ICEDD).

  • Les parois intérieures qui séparent le volume protégé des caves sont en maçonnerie de briques légère (U = 0.88 W/m²K) ou constituées d’une cloison légère doublée d’une couche de mousse de polyuréthane (U = 0.25 W/m²K). Ces deux types de parois ne respectent pas les Umax de la réglementation PEB de 2021 dont les exigences ont évolué depuis l’année de la conception du bâtiment. Les superficies concernées sont très réduites et le problème peut facilement être résolu en ajoutant un peu d’isolant.

Mur en maçonnerie légère apparent du côté cave et isolation sous l’escalier par des panneaux de mousse PUR (source : ICEDD).

  • Les fenêtres à haute performance thermique ont un Uw déclaré compris entre 0,91 et 0,99 W/m²K suivant leur type et leurs dimensions. Le Ug des triples vitrages est de 0.60 et 0.80 W/m²K.
    L’exutoire de fumée en toiture  se trouve à la limite des valeurs tolérées (Uw = 1.5 W/m²K et Ug = 1.10 W/m²K).
    Il n’y a pas de protection solaire extérieure.

Les vitrages sont clairement identifiés (source : ICEDD).

  • La toiture inclinée est constituée d’une structure en bois dont les cavités épaisses de 30 cm sont remplies de cellulose (U = 014 W/m²K).
    Les toitures plates sont également constituées d’une structure en bois dont les cavités épaisses de 24 cm sont remplies de cellulose. Au-dessus de la structure ont été placés 10 cm de mousse de polyuréthane  (U = 010 W/m²K).

La toiture inclinée (source : ICEDD).

  • Aucune précaution n’a été prise pour isoler thermiquement la porte d’accès à la cave. (U = 2.40 W/m²K). Son remplacement ne poserait aucun problème.

Choix des installations techniques

Chauffage

Le chauffage est du type chauffage central avec transport de chaleur par eau.
La production de chaleur est assurée par une pompe à chaleur réversible air-eau de 4 kW équipée d’une résistance électrique. Son rendement est de 198 %.
Le système d’émission est constitué de radiateurs ou de convecteurs.

Le chauffage central (source : ICEDD).

Refroidissement

La production de froid est assurée par la pompe à chaleur réversible air-eau qui assure le chauffage. Son rendement en production de froid est de 234 %.

Ventilation

La ventilation est du type double flux avec échangeur de chaleur. Son débit est de 600 m³/h avec mesure continue des débits. Il a un rendement reconnu par la base de données EPBD de 82 %.

Le système de ventilation (source : ICEDD).

Éclairage

La puissance spécifique moyenne de l’éclairage artificiel est inférieure à 2 W/m² par 100 lux.
Il est équipé dans la plupart des locaux par un système de modulation automatique en fonction de l’éclairage naturel.

L’éclairage est également géré automatiquement par l’occupation des locaux. Le système assure l’extinction automatique de l’éclairage en cas d’absence dans ceux-ci.

Luminaires à faible consommation gérés automatiquement(source : ICEDD).

Étanchéité à l’air

Le niveau d’étanchéité à l’air atteint est v50 = 1 m³/hm²

Préparation de la baie pour le test blower door (Source : Homeco).

Énergie renouvelable

Des panneaux solaires photovoltaïques ont été installés sur le versant arrière de la toiture inclinée orientée au Sud – Sud-Est et sur la toiture plate de l’annexe. (4 900 Wc).

Les capteurs solaires photovoltaïques (source : ICEDD).

Respect des exigences Q-ZEN

L’analyse du bâtiment à l’aide du logiciel PEB montre que celui-ci ne répondait qu’en partie, lors de sa conception, aux exigences Q-ZEN de la réglementation qui devront être respectées en 2021. Sa mise en conformité avec cette réglementation ne pose cependant pas de problème.

Après transformation, le bâtiment a comme fonction bureaux.

Il ne comporte qu’un seul volume protégé, une seule unité PEB et une seule partie fonctionnelle.

Les conditions à respecter pour que le bâtiment respecte les exigences Q-ZEN 2021 en Région wallonne sont les suivantes :

  1. Respecter les Umax.
  2. Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
  3. Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné.
  4. Respecter les règles de ventilation décrites dans l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 telles que modifiées par l’AGW du 15/05/2016.
  5. Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB.

Comme il s’agit d’une transformation, même si le bâtiment n’est pas très grand, le nombre de parois différentes est élevé.

Le tableau ci-dessous montre que cette exigence n’a pas été respectée partout.

Nom de la paroi U (W/m²K)
(a.Ueq)
(b.Ueq)		 Umax (W/m²K)
Fenêtres (les moins bonnes) 0.99 1.50 V
Vitrage fenêtres (les moins bons) 0.80 1.10 V
Fenêtre de toiture 0.91 1.50 V
Vitrage fenêtre de toiture 0.50 1.10 V
Toiture plate 0.10 0.24 V
Toiture à versant 0.14 0.24 V
Mur isolé par l’intérieur 0.23 0.24 V
Mitoyen (les moins bons) 0.17 0.24 V
Mur isolé dans la structure et par l’extérieur 0.10 0.24 V
Cloison vers cave 0.25 0.24 x
Mur vers cave isolé 0.26 0.24 x
Mur vers cave non isolé 0.88 0.24 x
Dalle sur sol 0.14 0.24 V
Dalle sur cave 0.16 et 0.10 0.24 V
Escalier sur cave 0.26 0.24 x
Porte extérieure 0.93 2.00 V
Porte intérieure 3.00 2.00 x

Lors de sa conception, le bâtiment respectait parfaitement les exigences PEB en vigueur. Celles-ci sont cependant plus sévères en 2021 avec pour conséquence que certaines ne répondent plus à celles-ci.
Il est cependant très facile de rendre le bâtiment conforme aux exigences PEB de 2021. Il aurait suffi de prévoir une épaisseur d’isolant légère plus grande pour les parois insuffisamment isolées, d’isoler la paroi non isolée et de remplacer la porte d’accès vers la cave par une porte thermiquement plus performante.

Remarque

Les surfaces concernées sont très réduites et certaines améliorations pourraient ne pas être effectuée à condition de respecter la règle des 2 % de surface de l’enveloppe pour lesquels un dépassement est toléré.

2. Respect du critère K ≤ K35

Le bâtiment répond largement à ce critère malgré les difficultés inhérentes à ce type de travaux (transformation) grâce au haut niveau moyen d’isolation des parois de l’enveloppe du volume protégé et à la bonne compacité du bâtiment (2.24 m). Le niveau K calculé est K22.

3. Respect du critère EW ≤ (90/45)

Le niveau EW calculé est de EW31 < EW45 qui est l’exigence la plus sévère pour les bâtiments non résidentiels. Le critère est donc clairement respecté à cause des bonnes performances de l’enveloppe et des équipements techniques installés. Le bon niveau d’étanchéité à l’air améliore encore les performances.

4. Respect des règles de ventilation

La ventilation du bâtiment est assurée par un système D équipé d’une centrale double flux avec récupération de chaleur. Le choix de cette centrale de traitement d’air s’est fait suite au calcul du débit nécessaire dans ce bâtiment conformément à l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 tel que modifié par l’AGW du 15/05/2016. Elle répond donc aux exigences PEB Q-ZEN de 2021.

La centrale double flux, qui se situe dans un local technique intérieur, a un rendement de 82 % et assure un débit de 600 m³/h qui sera distribué dans l’ensemble du bâtiment.

5. Respect de la règle de comptage énergétique

Le bâtiment ne compte qu’une seule unité PEB. Cette règle est donc très facile à respecter puisque la présence des compteurs des sociétés distributrices (gaz et électricité) suffit.

Des compteurs électriques supplémentaires ont néanmoins été placés pour mesurer :

      • la consommation de la pompe à chaleur ;
      • la consommation du groupe de ventilation hygiénique ;
      • la production de l’installation photovoltaïque ;
      • la consommation de l’éclairage.

Exemple de comptage (source : ICEDD).

L’étanchéité à l’air

Une étanchéité à l’air performante est difficile à obtenir dans un bâtiment ancien rénové à cause de la variété des types de parois présentes et des éléments conservés qui ne se prêtent pas toujours à des interventions classiques. Suivant les endroits, l’étanchéité à l’air est obtenue de différentes manières.

  • Les parois légères à ossature sont munies d’un freine-vapeur qui fait office de couche d’étanchéité à l’air.
  • Les parois monolithes (béton coulé, chape, …) sont étanches à l’air par nature.
  • Les parois en maçonnerie sont rendues étanches par l’application des enduits (plafonnage, cimentage, …)
  • Les menuiseries ont un niveau d’étanchéité à l’air correspondant à la qualité de leur fabrication.
  • Les raccords entre les différents éléments sont rendus étanches à l’air à l’aide d’accessoires adaptés.

Le maître de l’ouvrage souhaitait que son bâtiment réponde aux exigences relatives aux bâtiments passifs et notamment en matière d’étanchéité à l’air. Il a donc apporté un soin particulier à la mise en œuvre des dispositifs qui permettent des performances suffisantes.
La tâche ne fut pas facile et de nombreux test blower door ont été effectués en vue de détecter les points faibles et d’améliorer le résultat final.

  • Correction au niveau des joints des châssis.
  • Remplacement de bandes de pare-vapeur et de rubans adhésifs.
  • Resserrage autour des câbles photovoltaïques.
  • Remplacement de la porte d’entrée.
  • Colmatage de trou dans la membrane d’étanchéité à l’air.

Finalement, le résultat obtenu est très bon : v50 = 1 m³/hm², ce qui, dans ce bâtiment, équivaut à une valeur n50 = 0.6 volume par heure, en conformité avec le standard « passif ».

Le plan l’étanchéité à l’air

Après avoir déterminé le volume à étanchéifier qui comprend les espaces isolés thermiquement et chauffés, le positionnement de la barrière d’étanchéité à l’air a été localisé précisément dans la paroi. Le positionnement de l’écran à l’air au sein de la paroi influence considérablement la réalisation de la continuité au droit des nœuds constructifs.

Localisation de la couche d’étanchéité à l’air (en plan) (Source : Homeco).

  • en bleu —  —  — :   membrane souple
  • en rouge —  —  — : enduit

Localisation de la couche d’étanchéité à l’air (en coupe) (Source : Homeco).

Les détails d’étanchéité à l’air

Le plan d’étanchéité à l’air étant déterminé, il a fallu s’assurer de la continuité de l’étanchéité à l’air à chaque point singulier, nœud constructif ou percement. Au moment du projet, l’architecte a élaboré des détails techniques de principe montrant comment relier les parois ayant des couches d’étanchéité à l’air de natures et de positions différentes. Le maître de l’ouvrage et le maître d’œuvre souhaitaient obtenir les meilleures performances possible. Régulièrement des tests ont été effectués pour pouvoir alors qu’il est encore temps réaliser les mises au point et réparations nécessaires.

  • Les tableaux électriques se trouvent à l’intérieur du volume protégé. De cette manière, les câblages se trouvent tous à l’intérieur du volume protégé. Seul le câble d’alimentation générale doit percer la couche d’étanchéité à l’air de l’enveloppe du volume protégé.
    En limitant le nombre de percements, on limite également le nombre de points faibles  où des fuites peuvent se présenter et les difficultés causées la réalisation correcte des raccords étanches.
    La pénétration des câbles des panneaux solaires photovoltaïques a causé quelques difficultés qui ont pu être résolues.

Les tableaux électriques ont été placés à l’intérieur du volume protégé (Source : Homeco).

  • Jadis, la maçonnerie à l’intérieur des gaines n’était pas enduite. Ce n’était pas jugé nécessaire, car l’enduit n’avait qu’une fonction esthétique. Étant donné que c’est l’enduit qui forme la couche d’étanchéité à l’air, il est indispensable, si on veut obtenir un bâtiment performant en la matière, d’enduire toutes les maçonneries de l’enveloppe y compris dans les gaines, les placards et les extrémités des cloisons intérieures légères au contact avec les maçonneries.

Enduit à l’endroit des gaines et cloisons (Source : Homeco).

  • Les maçonneries intérieures sont liaisonnées avec les maçonneries formant l’enveloppe du volume protégé. Pour assurer la continuité de la couche d’étanchéité à l’air, il faut que toutes les maçonneries intérieures soient également enduites. Une attention particulière est également nécessaire aux ébrasements des baies intérieures avec ou sans porte.

Couche d’étanchéité à l’air sur les maçonneries intérieures (Source : Homeco).

  • Les menuiseries extérieures constituent chacune une paroi distincte de l’enveloppe du volume protégé. Cette paroi a son étanchéité propre qui dépend de la qualité de sa réalisation. (choix des matériaux, qualité de l’assemblage, mise en œuvre, précision de la conception, …). En cas de faiblesse, seuls des réparations ou des réglages peuvent être envisagés.

Vérification de l’étanchéité à l’air d’un châssis (Source : Homeco).

Une attention toute particulière devra cependant être apportée au raccord de la menuiserie avec le gros œuvre afin d’assurer la continuité des performances de la menuiserie et de la barrière d’étanchéité à l’air de la façade.
Les menuiseries sont munies d’une bande raccord qui sera soit noyée dans l’enduit, soit collée à l’aide d’adhésif sur la membrane d’étanchéité à l’air suivant les cas.

Bande de raccords de la fenêtre collée au freine vapeur (source : ICEDD).

Détail du raccord de la fenêtre avec le freine-vapeur (Source : Homeco).

Étanchéité à l’air entre les fenêtres de toiture et le freine-vapeur (source : ICEDD).

  • L’étanchéité des portes d’entrée des bâtiments est toujours difficile à assurer. Ce bâtiment ne fit pas exception. La porte d’entrée dut donc être remplacée pour atteindre les performances souhaitées.

La porte d’entrée (Source : Homeco).

  • Pour assurer l’étanchéité à l’air aux raccords entre une membrane souple et l’enduit (jonction sec-humide) des bandes spéciales prévues pour cette fonction ont été utilisées. Elles sont constituées d’une bande autocollante d’un côté et d’une bande de treillis synthétique de l’autre. La bande autocollante est appliquée contre la membrane tandis que le treillis est noyé dans l’enduit.

Raccord entre membrane et enduit (source : ICEDD).

  • Pour ne pas percer le freine-vapeur avec des conduites, un vide technique a systématiquement été créé par la pose d’une contre-cloison pour intégrer celles-ci. Cette solution évite de devoir rendre étanche à l’air un grand nombre de percements, opération difficile et délicate qui amène souvent de piètres résultats.

L’espace technique pour les conduites (source : ICEDD).

  • L’intégration de prises électriques dans les murs maçonnés enduits constitue une source de fuite potentielle, car il y a interruption de la couche d’enduit.
    Les prises et interrupteurs ont été placés de préférence sur les murs intérieurs.
    Les blochets placés sur les murs délimitant le volume protégé ont été noyés dans le plâtre frais.

Les boîtiers noyés dans le plâtre frais (source : ICEDD).

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le maître de l’ouvrage HOMECO et les architectes auteurs du projet, Messieurs Xavier BACHELART et Elie DELVIGNE dans le cadre du concours Bâtiment exemplaire Wallonie 2013.
Nous avons également consulté l’expert nommé par la Région wallonne pour vérifier les travaux : l’Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable (ICEDD). Notre interlocuteur fut Monsieur Raphaël Capart.
Author Image Posted By : Sylvie 28 Août, 2018

Géothermie et géo-cooling dans un centre de formation

Une alternative économique pour le refroidissement des locaux.

Géothermie et géo-cooling dans un centre de formation

Mise en place d’une sonde géothermique (photo IFAPME).

En Région wallonne, un nouveau bâtiment à hautes performances énergétiques s’est équipé d’une pompe à chaleur géothermique épaulée par une chaudière au gaz à condensation pour assurer le chauffage de ses bureaux, ateliers, classes et auditoire. Pour le rafraîchissement de ces locaux, le géo-cooling direct est utilisé.

Introduction

Un nouveau bâtiment, reconnu exemplaire dans le cadre de l’action « Bâtiments exemplaires Wallonie 2013 » a été construit aux Isnes dans les environs de Gembloux pour le compte de « l’Institut wallon de formation en alternance et des indépendants et petites et moyennes entreprises » (IFAPME).

Il est destiné à abriter des locaux de formation pour les apprenants, tant pratiques (ateliers petits et grands) que théoriques (classes, salle de conférence), et des locaux administratifs (bureaux, salles de réunions, espaces polyvalents et d’exposition) pour les différentes organisations professionnelles concernées par la construction de bâtiments durables, le but étant d’établir des ponts entre la formation, la recherche et l’innovation en cette matière. Le bâtiment se devait donc d’être le plus exemplaire possible du point de vue écoconstruction et construction durable.

Les formations qui y seront données se focaliseront notamment sur l’enveloppe du bâtiment (isolation, étanchéité à l’air) et sur les techniques spéciales (biomasse, micro-cogénération, régulation, ventilation double flux).

Le maître de l’ouvrage voulait que le centre créé soit très performant en matière d’énergie et qu’il soit une source d’inspiration pour les professionnels de la construction de par son caractère raisonnable d’un point de vue technique et budgétaire.

Le résultat fut un immeuble d’aspect contemporain à très hautes performances thermiques.

Le bâtiment GREENWAL aux Isnes (Photo IFAPME).

Le bâtiment

Le bâtiment est composé de 2 ailes principales.

  • Une aile administrative, d’environ 2 470 m² de surface utile, comportant trois niveaux :
    • un niveau de bureaux au 2e étage ;
    • un niveau de salle de classe pour la formation théorique à la construction durable au 1er étage ;
    • un niveau administratif au rez-de-chaussée avec un auditoire et un hall d’accueil permettant des expositions.
  • Une aile, d’environ 1 530 m² de surface utile, dévolue aux ateliers d’écolage. Elle est constituée d’un grand atelier « enveloppe » dont la taille permet la construction à l’échelle 1/1 de deux maisons unifamiliales mitoyennes et, sur deux niveaux, de 6 ateliers orientés vers les techniques spéciales du bâtiment, à savoir chaudière, pompe à chaleur, ventilation double flux, micro-cogénération, panneaux solaires photovoltaïques et thermiques, …

La surface utile totale est donc d’environ 4 000 m².

Plan du rez-de-chaussée.

Plan du 1er étage.

Plan du 2e étage.

Coupe dans le bâtiment (voir localisation sur les plans).

Respect des exigences Q-ZEN

L’analyse du bâtiment à l’aide du logiciel PEB montre que celui-ci répondait déjà lors de sa conception aux exigences Q-ZEN de la réglementation qui devront être respectées en 2021.
Le nouveau bâtiment a comme fonction principale enseignement.

Il ne comporte qu’un seul volume protégé, une seule unité PEB, une seule zone de ventilation et 2 secteurs énergétiques, l’un n’étant pas équipé d’un système refroidissement (les ateliers), l’autre bien (les classes, auditoires, bureaux, salle de réunion et locaux annexes).

  • Le secteur énergétique sans refroidissement ne compte qu’une seule partie fonctionnelle  « enseignement » située dans l’aile des ateliers.
  • Le secteur énergétique avec refroidissement compte deux parties fonctionnelles :
    • une partie fonctionnelle « bureau » qui occupe la totalité du 2e étage
    • une partie fonctionnelle « enseignement » au rez-de-chaussée et au 1er  étage.

Les conditions à respecter pour que le bâtiment respecte les exigences Q-ZEN 2021 en Région wallonne sont les suivantes :

  1. Respecter les Umax.
  2. Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
  3. Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné.
  4. Respecter les règles de ventilation décrites dans l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 telle que modifiée par l’AGW du 15/05/2016.
  5. Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB.

1. Respect des Umax

Le tableau ci-dessous montre que cette exigence a été respectée partout sauf pour les exutoires de fumée. Dans le cas présent, les exutoires de fumée ont une surface de 2 m² alors que la surface totale de déperdition est de 6 900 m². La surface des exutoires de fumée représente donc 0.03 % de la surface totale de déperdition. Le bâtiment répond ainsi aux exigences de la réglementation qui permet un dépassement du Umax pour maximum 2 % de la surface des parois de l’enveloppe du volume protégé.

Nom de la paroi U (W/m²K)
(a.Ueq)
(b.Ueq)		 Umax (W/m²K)
Fenêtres 0.83 1.50 v
Vitrage fenêtres 0.60 1.10 v
Fenêtre de toiture 1.95 1.50 v
Vitrage fenêtre de toiture 1.63 1.10 v
Verrières 1.31 1.50 v
Vitrages verrières 1.10 1.10 v
Exutoires de fumée 1.55 1.50 ?
Vitrage exutoires de fumée 1.30 1.10 ?
Toiture structure bois 0.09 0.24 v
Toiture structure béton 0.10 0.24 v
Mur avec parement de béton 0.24 0.24 v
Mur avec bardage bois 0.12 0.24 v
Mur enterré 0.14 0.24 v
Dalle sur le sol 0.15 0.24 v
Dalle sur le sol (ateliers) 0.22 0.24 v
Portes sectionnelles 0.70 2.00 v

2. Respect du critère K ≤ K35

Le bâtiment répond largement à ce critère. Le niveau K calculé est K15.

3. Respect du critère EW ≤ (90/45)

Le niveau EW calculé est de EW33 < EW45 qui est l’exigence la plus sévère pour les bâtiments non résidentiels. Le critère est donc clairement respecté.

4. Respect des règles de ventilation

La ventilation du bâtiment est assurée par un système D grâce à trois groupes de ventilation double flux avec récupération de chaleur. Le choix de ces centrales de traitement d’air s’est fait suite au calcul du débit nécessaire dans ce bâtiment conformément à l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 tel que modifié par l’AGW du 15/05/2016. Elle répond donc aux exigences PEB Q-ZEN de 2021.

Les groupes de ventilation ont un rendement compris entre 82 et 86 % et assurent un débit de 18 300 m³/h qui sera distribué dans l’ensemble du bâtiment.

5. Respect de la règle de comptage énergétique.

Cette règle a été largement respectée.

De par sa destination (centre de formation en bâtiments durable), une attention particulière a été apportée à la possibilité d’enregistrer et d’étudier la physique du bâtiment.
Une GTC a été installée. Elle permet de paramétrer les installations, de stocker et analyser les données des différents composants, et ce, afin de donner des outils bien concrets aux formateurs et aux étudiants du bâtiment. De plus, le maître de l’ouvrage s’est engagé dans le cadre du concours « Bâtiments exemplaires Wallonie » à effectuer un rapport annuel des consommations et à le transmettre à la Région wallonne.

Une interface homme-machine accessible via réseau facilite le paramétrage, la gestion et la consultation des différentes données. La gestion des installations étant une des préoccupations du maître de l’ouvrage, il a veillé à se donner les outils nécessaires à l’analyse les différentes consommations des installations du bâtiment.

Les compteurs suivants ont été installés :

  • Compteurs gaz
    • compteur général ;
    • compteur ateliers (ateliers formation) ;
    • compteur chaudière.
  • Compteurs eau
    • compteur eau chaude sanitaire ;
    • comptage remplissage chaufferie ;
    • comptage eau froide général ;
    • comptage eau de pluie ;
    • comptage eau froide pour complément eau de pluie
  • Compteurs intégrateurs de chaleur
    • compteur chaudière ;
    • comptage par pompe à chaleur ;
    • comptage kit geocooling ;
    • comptage sondes géothermiques ;
    • comptage départ de chaque circuit terminal ;
    • comptage ECS.
  • Compteurs électricité
    • compteur PV ;
    • comptage groupes de ventilation ;
    • comptage groupe de pompage eau de pluie ;
    • comptage par pompe à chaleur ;
    • comptage pour les circulateurs de chauffage ;
    • comptage par tableau électrique.

Analyse des surchauffes

Une simulation dynamique a été réalisée par le bureau d’études du maître de l’ouvrage pour étudier les risques de surchauffe dans certains locaux : des salles de réunion orientées au Sud-Ouest ; une classe type orientée à l’Ouest ; des bureaux orientés dans différentes directions ; l’auditoire et un atelier.

La simulation a été effectuée à l’aide du logiciel TRNSYS.

  • Les données climatiques utilisées sont celles d’Uccle.
  • Le chauffage est considéré comme actif du 1er septembre au 15 juin, le rafraîchissement du 16 juin au 31 août.
  • Le rendement des échangeurs thermiques inclus dans les groupes de ventilation a été estimé à 80 %.
  • L’horaire d’occupation pour l’intégration des surchauffes est basé sur le planning d’occupation du maître de l’ouvrage.
  • Les seuils d’ouverture et de fermeture des stores en fonction de l’insolation par orientation est de 120/140 W/m²
  • Le nombre d’heures où la température est supérieure à 26 °C pendant les heures d’occupation des bâtiments est comptabilisé.
  • Le free cooling est activé lorsque :
    • la température intérieure est supérieure à 22 °C ;
    • la température intérieure est supérieure à la température extérieure ;
    • la température extérieure est supérieure à 16 °C.
  • Le night cooling est activé lorsque :
    • le rafraîchissement géothermique ne fonctionne pas ;
    • la température intérieure est supérieure à 20 °C ;
    • la température intérieure est supérieure à la température extérieure.
  • Les consignes de chauffage sont 25 °C en occupation et 15 °C hors occupation.
  • Les consignes de refroidissement sont 25 °C en occupation et 21 °C hors occupation.
  • Une puissance limite de 15 kW a été déterminée afin de limiter les sondes géothermiques. Cela donne une surface surfacique limite de rafraîchissement disponible de 10,82 W/m² dans la partie administrative du bâtiment.
  • Les gains internes ont été estimés en fonction de l’éclairage, de l’activité des personnes, du nombre d’ordinateurs prévus et d’équipements divers dans les ateliers.

Résultat des calculs

La maîtrise du confort estival est assurée à condition de mettre en œuvre les techniques suivantes :

  • Protections solaires automatiques devant toutes les fenêtres sauf celles orientées au Nord (facteur de réduction solaire  de 0,8).
  • Bypass de l’échangeur de chaleur des groupes de ventilation.
  • Ventilation mécanique des bureaux la nuit (hors utilisation du rafraîchissement géothermique).
  • Rafraîchissement géothermique lors des périodes d’utilisation hors saison de chauffe.
  • Night cooling géothermique hors saison de chauffe.

Il n’y a pas de dépassement de température opérative de 26 °C en dehors de l’atelier où 73 heures de dépassement ont été calculées.

La température opérative de 26 °C n’est pas dépassée dans les classes
(document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

La température opérative de 26 °C n’est pas dépassée dans les salles de réunion
(document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

Le bureau d’études a vérifié si toutes ces conditions étaient nécessaires et a évalué l’impact de différents scenarii.

1. Si les stores ne sont pas placés, le confort n’est pas assuré, entre autres, pendant 334 heures dans l’auditoire, pendant 294 heures dans un atelier, pendant 256 heures dans une des salles de réunion et pendant 32 heures dans la salle d’informatique.

La température opérative de 26 °C est dépassée pendant 256 heures dans une des salles de réunion
(document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

La température opérative de 26 °C est dépassée pendant 334 heures dans l’auditoire
(document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

La température opérative de 26 °C est dépassée pendant 2944 heures dans un des ateliers
(document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

2. Sans free/night cooling de la ventilation, le confort n’est pas assuré, entre autres, pendant 559 heures et 239 heures dans les classes étudiées et de 931 heures dans un atelier. Le problème se pose en mi saison lorsque le rafraîchissement géothermique n’est pas utilisé. En effet, les classes ayant un apport constant de chaleur pendant toute l’année, en mi-saison, le rafraîchissement ne peut être apporté que par le free/night cooling.

La température opérative de 26°C est dépassée pendant 559 heures dans une des classes et pendant 239 heures dans une autre.  (document POLY-TECH ENGINEERING sprl.

3. Sans rafraîchissement géothermique, les surchauffes ne sont pas maîtrisées dans les classes et dans les salles de réunion.
Si on sait que le froid géothermique nécessite peu d’énergie, uniquement pour le circulateur, et est nécessaire afin de recharger le sol en chaleur, le choix de cette technique est recommandé.

La température opérative de 26 °C est dépassée pendant 691 heures dans une des classes et pendant 197 heures dans une autre.  (document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

La température opérative de 26 °C est dépassée pendant 62 heures dans une des salles de réunions
et pendant 18 heures dans une autre.  (document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

Dimensionnement du système géothermique

Les différentes solutions de pompes à chaleur géothermiques ont été analysées par le bureau d’études du maître de l’ouvrage à l’aide du logiciel TRNSYS.
Le bâtiment a été divisé en 5 parties : les ateliers ; l’auditoire et les trois étages de l’aile administrative.

Le principe de distribution et de production choisi est de type « change-over », c’est-à-dire qu’il n’y a pas de possibilité de produire en même temps du chaud et du froid.

Deux solutions techniques ont été comparées.

  • Une pompe à chaleur géothermique réversible.
  • Une pompe à chaleur géothermique pour la production de chaleur et un échangeur passif pour la production de froid. Pour la production de froid, en cas de canicule, un appoint sera fourni par la pompe à chaleur géothermique couplée à un aéroréfrigérant.

Un calcul statique effectué suivant la norme EN 12831 permet de déterminer la puissance nominale de la chaufferie et d’approximer une puissance en chaud de la pompe à chaleur et d’identifier ainsi la gamme de puissance à étudier.
Conformément à l’étude de surchauffe, la période de chauffe a été limitée du 22 septembre au 15 mai. En ne faisant pas fonctionner le système de refroidissement durant la période de chauffage, le besoin net de refroidissement est de 6 461 kWh. La puissance maximale en froid nécessaire est de 18 kW le 20 juin.

Evolution des besoins net (document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

Profil géothermique mensuel (document POLY-TECH ENGINEERING sprl).

La puissance disponible est de 15 kW en rafraîchissement géocooling et 15 kW d’appoint via la pompe à chaleur réversible.

L’étude économique a montré que la solution consistant à utiliser la pompe à chaleur réversible est économiquement préférable et que le surcoût lié à l’appoint de froid complémentaire ne peut être rentable économiquement mais est nécessaire pour assurer le confort en période de canicule.

L’étude énergétique a montré que :

  • L’utilisation d’une pompe à chaleur de plus grande puissance permet de diminuer les consommations finales, mais de manière limitée.
  • Le géocooling permet de fortement diminuer la consommation finale.
  • Le taux de couverture de la pompe à chaleur pour l’optimal économique de 27.5 kW est de 84 % en hiver.
  • Le taux de couverture du géocooling en été est de 100 %.
  • la pompe à chaleur géothermique  réduit de 72 % les consommations en énergie primaire pour le chauffage et le refroidissement.

Il a finalement été décidé :

  • D’installer une pompe à chaleur réversible d’une capacité de 30 kW.
  • Que le rafraîchissement se fera principalement par géocooling avec un appoint par la pompe à chaleur qui sera couplée à un aéroréfrigérant pour ne pas perturber le géocooling.

L’installation

Les conditions de confort sans risque de surchauffe sont finalement assurées :

  • Dans l’auditoire par freecooling, night cooling et géoccoling à l’aide du groupe de ventilation.
  • Dans les locaux administratifs et les classes par freecooling, night cooling et géoccoling à l’aide des ventilos-convecteurs.
  • Dans les ateliers de formation par freecooling, night cooling et ventilation naturelle via les fenêtres ouvrantes manuelles et les exutoires de fumée.

Après la réalisation d’un forage de test, 8 forages géothermiques ont été effectués en trois semaines. Les sondes ont ensuite été connectées horizontalement au collecteur, testées sous pression de 5.0 bar et remplies par un mélange de 25 % de mono propylène glycol et d’eau. Les débits ont également été vérifiés pour une différence de pression d’environ 2.1 bar.

Les forages de 120 mm de diamètre ont une longueur de 60 m. Dans la partie supérieure, le terrain étant instable, un tube a été placé sur 28 m de profondeur. Dans la partie rocheuse située en dessous, ce tube n’est pas nécessaire.

Le forage.

Tubage à l’enfoncement sur 28 m dans les terrains instables.

L’échangeur de chaleur placé dans le forage est constitué de deux tubes de 32 mm en PEHD en forme de U. Après sa mise en place, le trou de forage est rempli par du gravier 4-8 mm dans la partie rocheuse et par un coulis thermique (λ = 1.35 W/mK), stable et très peu perméable (k = 10-10 m/s) dans la partie supérieure tubée. Ce coulis va durcir et d’une part bien reboucher le forage (imperméabilisation et protection des sondes) et d’autre part assurer un bon contact thermique entre les échangeurs et le sol.

Schéma des sondes géothermiques.

Les tubes et le coulis géothermique sont placés dans le forage.

Enfouissement des tubes de raccordement des sondes (min 80 cm).

Raccordement des sondes au collecteur.

Schéma de raccordement des sondes (document ENERGIE VERBEKE sa).

Implantation des sondes.

Les débits dans les différentes sondes ont été équilibrés à 0.60 m³/h à l’aide des vannes de réglage de manière à obtenir un débit total d’environ 5.5 m³/h. La différence entre les débits des sondes est inférieure à 10 %.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le maître de l’ouvrage : « l’Institut wallon de formation en alternance et des indépendants et petites et moyennes entreprises » (IFAPME). Notre interlocuteur fut Monsieur Jacques Guérin, gestionnaire du patrimoine immobilier de l’institut.

L’architecte auteur de projet est le bureau R²D² Architecture.

Les études techniques ont été réalisées par le bureau d’études POLY-TECH ENGINEERING sprl.

Les forages géothermiques, la pose des sondes, les raccordements et les réglages de débits ont été réalisés par la société spécialisée ENERGIE VERBEKE SA.

Author Image Posted By : Sylvie 28 Août, 2018

Isoler les parois d’un entrepôt transformé en bureaux

Comment isoler les murs et toitures d’un entrepôt existant pour le transformer en bureaux passifs ?

Isoler les parois d’un entrepôt transformé en bureaux

Les nouveaux locaux du bureau d’études écoRce à Liège.

Un entrepôt situé à Liège a été transformé en bureaux. Le maître de l’ouvrage souhaitait atteindre les valeurs du standard passif. Quelles solutions a-t-il adoptées pour isoler les parois extérieures ?

Introduction

Le bâtiment a été réalisé à partir d’un entrepôt existant en pleine ville de Liège à proximité de la gare des Guillemins. Il a été conçu en 2013 par le bureau d’architecture FHW Architectes et le bureau d’études écoRce sprl qui est également le maître de l’ouvrage.

L’extérieur du bâtiment avant les travaux.

L’intérieur du bâtiment avant les travaux.

Il a été complètement transformé. Seule la structure en béton et les murs mitoyens ont été maintenus. Le bâtiment peut donc être considéré comme une construction neuve dans le cadre de la réglementation PEB. Les éléments conservés ont provoqué des contraintes qui ont dû être résolues notamment en matière d’isolation de l’enveloppe.

Le bâtiment compte, après travaux, trois niveaux.

  • Au rez-de-chaussée accessible depuis une cour intérieure d’îlot, se trouvent l’accueil, une salle de réunion et les sanitaires. Un carport occupe une partie de ce niveau. Il abrite une zone de parking pour vélos et une zone de tri pour les déchets.
  • Le premier étage, est occupé par des bureaux paysagés, une salle de réunion ainsi qu’un petit local réservé à l’impression et à la copie des documents.
  • Le deuxième étage est réservé à la détente : réfectoire, cuisine, terrasse et jardin.

Plans du projet (document architecte).

Le maître de l’ouvrage avait pour objectif de limiter au maximum les besoins d’énergie de façon à en réduire les consommations. Il concentra donc, entre autres, ses efforts sur la réduction des déperditions thermiques tant par transmission à travers les parois de l’enveloppe du volume protégé que par manque d’étanchéité à l’air de celles-ci.

Respect des exigences Q-ZEN

L’analyse du bâtiment à l’aide du logiciel PEB montre que celui-ci répondait déjà lors de sa conception aux exigences Q-ZEN de la réglementation qui devront être respectées en 2021.

Le nouveau bâtiment a comme fonction bureaux.
Il ne comporte qu’un seul volume protégé, une seule unité PEB, une seule zone de ventilation et deux parties fonctionnelles :

  • une partie fonctionnelle « bureaux » qui occupe la totalité du rez-de-chaussée et du 1er étage ;
  • une partie fonctionnelle « rassemblement – cafétéria/réfectoire » au 2e étage.

Les conditions à respecter pour que le bâtiment respecte les exigences Q-ZEN 2021 en Région wallonne sont les suivantes :

  1. Respecter les Umax.
  2. Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
  3. Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné.
  4. Respecter les règles de ventilation décrites dans l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 tel que modifié par l’AGW du 15/05/2016.
  5. Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB.

1. Respect des Umax

Comme il s’agit d’une transformation, même si le bâtiment n’est pas très grand, le nombre de parois différentes est élevé.

Le tableau ci-dessous montre que cette exigence a été respectée partout.

Nom de la paroi U (W/m²K) Umax (W/m²K)
Fenêtres 0.74 1.50 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Vitrage fenêtres 0.50 1.10 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Fenêtre de toiture 1.36 1.50 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Vitrage fenêtre de toiture 1.10 1.10 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Toiture sur 1er étage 0.09 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Toiture sur 2ème étage 0.08 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Mur isolé par l’intérieur 0.23 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Mitoyen non bâti côté voisin 0.12 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Mur extérieur 0.18 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Façade bureau 0.13 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Autres façades 0.19 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Pied de façade 0.22 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Dalle sur sol 0.09 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Dalle sur extérieur 0.08 0.24 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Porte 1.00 2.00 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]
Mitoyens bâtis côté voisins < 0.63 1.00 [fusion_fontawesome icon= »fa-check fas » size= » » flip= » » rotate= » » spin= »no » alignment= » » hide_on_mobile= »small-visibility,medium-visibility,large-visibility » class= » » id= » » margin_top= » » margin_right= » » margin_bottom= » » margin_left= » » circle= »yes » iconcolor= » » circlecolor= » » circlebordercolor= » » animation_type= » » animation_direction= »down » animation_speed= »0.1″ animation_offset= » »][/fusion_fontawesome]

2. Respect du critère K ≤ K35

Le bâtiment répond largement à ce critère malgré les difficultés inhérentes à ce type de travaux (transformation). Le niveau K calculé est K20.

3. Respect du critère EW ≤ (90/45)

Le niveau EW calculé est de EW38 < EW45 qui est l’exigence la plus sévère pour les bâtiments non résidentiels. Le critère est donc clairement respecté.

4. Respect des règles de ventilation

La ventilation du bâtiment est assurée par un système D grâce à une centrale double flux avec récupération de chaleur. Le choix de cette centrale de traitement d’air s’est fait suite au calcul du débit nécessaire dans ce bâtiment conformément à l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 tel que modifié par l’AGW du 15/05/2016. Elle répond donc aux exigences PEB Q-ZEN de 2021.

La centrale double flux, qui se situe dans un local technique intérieur, a un rendement de 85 % et assure un débit de 1 556 m³/h qui sera distribué dans l’ensemble du bâtiment.

5. Respect de la règle de comptage énergétique.

Le bâtiment ne compte qu’une seule unité PEB. Cette règle est donc très facile à respecter puisque la présence des compteurs des sociétés distributrices (gaz et électricité) suffit.

Des compteurs électriques supplémentaires ont été placés pour mesurer :

  • la consommation du groupe de ventilation ;
  • la production de l’installation photovoltaïque (1 700 Wc) ;
  • la consommation de l’éclairage.

Le respect des exigences a été permis, entre autres, par ne niveau d’isolation thermique des différentes parties de l’enveloppe du volume protégé.

Les parois de l’enveloppe du volume protégé

Comment sont isolées les parois extérieures neuves et existantes ?

Coupe de localisation des détails (document architecte).

  1. Mur existant isolé par l’extérieur
  2. Toiture existante isolée par l’extérieur et végétalisée
  3. Nouveau mur à ossature bois
  4. Nouvelle toiture compacte
  5. Nouveau mur isolé par l’intérieur et l’extérieur
  6. Mur extérieur existant isolé par l’intérieur
  7. Sol existant isolé par le haut

1. Un mur existant isolé par l’extérieur

La façade avant a été partiellement conservée et isolée par l’extérieur. L’isolant est protégé par un bardage en bois. L’isolation thermique d’un bâtiment existant par l’extérieur réduit considérablement les risques de ponts thermiques et de condensation interstitielle, le pare-pluie extérieur étant très perméable à la vapeur d’eau.

Coupe mur existant isolé par l’extérieur (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.14 W/m²K en partie courante et 0.11 W/m²K à l’endroit de la structure en béton où l’épaisseur d’isolant est plus importante pour des raisons technologiques.

Calcul du U des parties courantes à l’aide du logiciel PEB.

Calcul du U des parties situées devant les poutres en béton à l’aide du logiciel PEB.

2. Toiture existante isolée par l’extérieur et végétalisée

La toiture plate existante a été isolée selon le principe de la toiture chaude. L’isolant est posé au-dessus de la dalle en béton. La membrane d’étanchéité bitumineuse existante a été conservée. Elle contribue à la protection de l’isolant assurée par le nouveau pare-vapeur contre la vapeur d’eau provenant de l’intérieur du bâtiment. Une nouvelle membrane d’étanchéité en EPDM est posée sur l’isolant. Elle lestée par une toiture verte extensive.
Cette technique est courante. Elle ne pose pas de problème de condensation interstitielle et permet d’éviter les ponts thermiques.

Coupe toiture existante isolée par l’extérieur et végétalisée (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.09 W/m²K.
Le faux plafond acoustique n’a aucun impact sur la performance thermique de la paroi.
Le lestage que constitue la couche végétalisée n’a pas été pris en compte. Son influence sur le U est négligeable en comparaison de celle de la couche d’isolant. Elle protège cependant la membrane d’étanchéité du rayonnement direct extérieur.

Calcul du U des toits existants isolés par l’extérieur à l’aide du logiciel PEB.

3. Nouveau mur à ossature bois

La façade à ossature bois permet la pose d’une grande épaisseur d’isolant sans augmenter exagérément l’épaisseur de la paroi elle-même, celui-ci étant posé à l’intérieur de la structure. La structure interrompt la couche isolante. L’impact de celle-ci sur les performances thermiques est pris en compte dans le calcul.
Autant que possible la paroi est composée d’éléments de plus en plus ouverts à la diffusion de vapeur de l’intérieur vers l’extérieur de manière à se prémunir contre la condensation à l’intérieur du mur.

Ainsi, le pare-vapeur  situé du côté chaud de l’isolant sera le plus étanche possible à la vapeur d’eau en hiver et le pare-pluie situé du côté froid de l’isolant sera, par contre, le plus perméable possible à celle-ci.
Le pare-vapeur aura une perméabilité à la vapeur d’eau variable en été et en hiver. En été il sera plus ouvert à la vapeur pour permettre à la paroi de sécher. C’est ce que l’on appelle un freine vapeur à µ (sd) variable.
L’auteur de projet a pris en compte le comportement hygrométrique de la paroi de manière à s’assurer de la pérennité du bâtiment. Il a réalisé une simulation dynamique à l’aide du logiciel WUFI® afin de valider la paroi du point de vue de la diffusion de vapeur d’eau.

Coupe nouveau mur à ossature bois (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.13 W/m²K.
Les deux couches d’isolant ont été considérées comme une seule couche dans le calcul, L’isolant étant identique et les structures en bois occupant les mêmes proportions d’espace.

Calcul du U de la façade à ossature bois à l’aide du logiciel PEB.

4. Nouvelle toiture compacte

La toiture compacte désigne la toiture plate dont l’isolant est placé à l’intérieur du support en bois sans lame d’air entre les différentes couches. Un écran pare-vapeur étanche à l’air doit être placé sous le support. Ce n’est pas une toiture froide, car il n’y a pas de couche d’air ventilée au-dessus de l’isolant. Cette technique est délicate à cause des risques de condensation interne.

Principe de fonctionnement : séchage par utilisation de freine-vapeurs hygrovariables.

  • En hiver, la pression de la vapeur dans les locaux est généralement supérieure à celle régnant dans le complexe toiture, ce qui crée un flux de vapeur se déplaçant de bas en haut.
  • En été, cette diffusion de vapeur est inversée : de haut en bas.
  • On suppose que l’action du freine-vapeur assèche le complexe toiture durant les périodes plus chaudes tandis que l’apparition d’humidité peut être limitée dans les périodes plus froides grâce à la fermeture du freine-vapeur.

Certaines règles doivent être respectées.

  • L’étanchéité doit absorber le plus possible les rayonnements solaires.
  • La toiture doit être totalement ensoleillée.
  • La pente doit être d’au moins 2 % (pas de stagnation d’eau pluviale).
  • La pente ne peut pas être de plus de 40° pour des versants orientés vers le Nord, l’Est et l’Ouest.
  • L’isolant doit être très ouvert à la vapeur (µ le plus petit possible)
  • Le freine-vapeur doit être du type hygrovariable.
  • La finition intérieure sous le freine-vapeur doit être perméable à la vapeur.
  • Il faut éviter toute convection entre l’air intérieur et le complexe de toiture (blower door test).
  • Le taux d’humidité du bois doit être limité avant la mise ne place du système.
  • La classe de climat intérieure ne peut pas dépasser la classe III ou même la classe II lorsque la toiture est végétalisée.

Le maître de l’ouvrage (bureau d’études spécialisé dans ce domaine) a réalisé des simulations hygrothermiques pour évaluer le risque d’apparition de problème d’humidité dans la toiture compacte de son bâtiment. C’est une tâche délicate, car il y a énormément de paramètres inconnus à entrer et il est souvent très difficile d’interpréter correctement les résultats finaux.

Deux solutions ont été envisagées.

Les deux solutions analysées par des simulations hygrothermiques.

La simulation hygrothermique a clairement montré que c’est la solution B qui devait être adoptée.

Coupe nouvelle toiture compacte (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.08 W/m²K.

Malgré que l’épaisseur d’isolant soit plus importante que celle de la toiture présentée plus haut au point 2, le U atteint est proche. Cela est dû aux caractéristiques des matériaux utilisés.

  • Mousse phénolique -> λi = 0.021 W/mK
  • Cellulose et laine de bois -> λi = 0.039 W/mK

Calcul du U de la toiture compacte à l’aide du logiciel PEB.

5. Nouveau mur mitoyen isolé par l’intérieur et l’extérieur

Pour que le mur mitoyen neuf donnant sur l’air extérieur soit thermiquement le plus performant possible tout en n’empiétant pas trop sur l’espace intérieur, il a été isolé à la fois par l’intérieur et l’extérieur.
Le maître de l’ouvrage a réalisé des simulations hygrothermiques pour évaluer le risque d’apparition de problème d’humidité dans ce mur. Les résultats furent rassurants.

Coupe nouveau mur mitoyen isolé par l’intérieur et l’extérieur (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.12 W/m²K.

Calcul du U du mur mitoyen isolé par les deux côtés à l’aide du logiciel PEB.

6. Un mur existant isolé par l’intérieur

Isoler un mur existant par l’intérieur est, dans certains cas, la seule solution possible bien que la gestion des ponts thermiques et des condensations internes soit délicate.
Le maître de l’ouvrage après avoir réalisé quelques simulations dynamiques a opté pour la solution ci-dessous.

Coupe mur existant isolé par l’intérieur (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.23 W/m²K. Nous sommes toujours en-dessous de Umax =  0.24 W/m²K pour un mur extérieur.

Calcul du U du mur extérieur isolé par l’intérieur à l’aide du logiciel PEB.

7. Sol existant isolé par le haut

Comme dans bien des cas, la solution la plus économique pour isoler un plancher posé sur le sol est de poser l’isolant sur la dalle en béton existante et de tirer une nouvelle chape armée sur l’isolant.
C’est la technique qui a été choisie.

Coupe plancher sur sol existant isolé par le haut (document architecte).

Le calcul du coefficient de transmission thermique U réalisé à l’aide du logiciel PEB indique une valeur U = 0.14 W/m²K.

Calcul du U de la dalle sur sol isolée par le haut à l’aide du logiciel PEB.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le bureau d’architecture ayant conçu le bâtiment FHW Architects et le maître de l’ouvrage écoRce sprl dans le cadre de l’action Bâtiments exemplaires Wallonie 2013.
Author Image Posted By : Sylvie 6 Juil, 2018

Nouveau bâtiment des bureaux d’un entrepôt

Nouveau bâtiment des bureaux d’un entrepôt

Les bureaux de la firme RADERMECKER INTERCHIMIE © JL DERU.

Un bâtiment neuf de bureaux et un hall de stockage ont été construits en 2015. Les bureaux ont été lauréats de l’appel à candidature dans le cadre de l’action Bâtiment Exemplaire en Wallonie. Dans cet esprit, de nombreux efforts ont été consentis à l’époque pour réaliser un bâtiment très performant en matière énergétique. Est-ce qu’à l’époque, ce bâtiment est déjà parvenu à répondre aux exigences Q-ZEN de 2021 ? C’est ce que nous allons vérifier.

Introduction

Le bâtiment a été conçu par le bureau d’architecture CANEVAS et le bureau d’études GREISCH pour le compte de la firme RADERMECKER INTERCHIMIE.

Il est destiné à abriter des activités de stockage, de conditionnement et de distribution de produits chimiques. Il est constitué d’un auvent présentant une superficie au sol d’environ 1000 m² (20 m x 49.5 m). Cet auvent abrite également un bâtiment administratif de bureau de moins de 100 m².

Le système constructif pour réaliser le hall est basé sur l’utilisation de rayonnages à palettes comme éléments porteurs de la toiture. Utiliser ces rayonnages comme structure portante permet :

  • d’une part, de réduire les quantités de matériaux en se passant de structure supplémentaire pour la toiture ;
  • d’autre part, de les intégrer à la conception architecturale.

Plan général (extrait plan architecte).

Coupe générale (extrait plan architecte).

Les bureaux intégrés à la structure des rayonnages © JL DERU

Le hall de stockage n’est pas isolé. Il ne possède pas de façade. La hauteur sous toiture varie entre 7.50 m et 10.50 m.

Les versants de la toiture assurent un débordement de toiture suffisant pour protéger efficacement le stockage et l’entrée du bâtiment des intempéries. Le débordement joue également un rôle de protection solaire fixe pour les bureaux.

Les bureaux sont intégrés comme une boîte au sein des rayonnages. Ils sont réalisés en ossature bois et sont supportés par des portiques métalliques intégrés à la structure des rayonnages du niveau inférieur. Les panneaux ont été réalisés en usine.

 

Éléments préfabriqués en usine.

Bureaux plan (extrait plan architecte).

Bureaux coupe (extrait plan architecte).

Le parement de façade des bureaux est constitué de tôles métalliques à fines nervures de finition identique à celles utilisées en toiture. Les finitions intérieures des murs, planchers et plafonds sont en bois. La structure en bois de ces différentes parois est bourrée de cellulose.

L’intérieur des bureaux © JL DERU 1.

Conscients des enjeux énergétiques dans le futur, le maître de l’ouvrage a voulu dès 2012 investir dans un bâtiment performant en matière de consommation d’énergie et de confort.

L’objectif a été atteint, mais répond-il déjà aux exigences PEB de 2021 ?

Étanchéité à l’air

Un test de la mesure de l’étanchéité à l’air a été effectué conformément à la norme et aux prescriptions  supplémentaires de la Région wallonne. Grâce  à la conception de la couche d’étanchéité à l’air et au  soin apporté à sa mise en œuvre. Le niveau d’étanchéité à l’air mesuré en fin de travaux est de  v50 = 0,39 m³/hm².

Blower door test.      

Étanchéité à l’air autour des châssis de fenêtres.

Installations techniques

Le chauffage est du type chauffage central avec panneaux diffusants alimentés en eau chaude par une pompe à chaleur air-eau  d’une puissance calorifique de 8 kW.

Pompe à chaleur air eau.    

 Panneau diffusant.

La ventilation mécanique de type D d’un débit de 435 m³/h est munie d’un récupérateur de chaleur d’un rendement de 82 % et d’une batterie de chauffe électrique d’une puissance de 3 kW pour pouvoir pulser l’air dans le bâtiment directement à bonne température.

Le groupe de ventilation.

L’eau chaude sanitaire (ECS) est produite par la pompe à chaleur du chauffage central et stockée dans un ballon de 200 litres qui sert deux douches, un évier et un vidoir.

Schéma de l’installation de distribution sanitaire.

L’éclairage est assuré par des appareils à basse consommation.

1.    des TL de 35 W

2.    des downlight LED compacts de format rond

La puissance moyenne pour l’éclairage est d’environ 1,8 W/100lux m².

Pièce du projet Apport par éclairage (W/m²)
Réunion 8,9
Bureau 8,9
Réception 10,8
Cuisine 7,5
Couloir 2,5
Entrée 2,1
Vestiaires hommes 3,7
Sanitaires hommes 4,4
Vestiaires femmes 3,4
Sanitaire femmes/PMR 2,8
Local technique 15,7

Puissance des luminaires installés dans les locaux.

Plan de l’installation électrique.

Conformité du bâtiment conçu en 2012 avec les exigences du standard Q-ZEN PEB 2021

Le bâtiment a été évalué par rapport aux exigences PEB et, plus particulièrement, au standard Q-ZEN. Le fichier PEB initial encodé en 2012 a été analysé. Ensuite, il a été mis à jour en supposant un encodage en 2021.
Le nouveau bâtiment a comme fonction bureaux.

Il ne comporte qu’un seul volume protégé, une seule unité PEB, une seule zone de ventilation et une seule partie fonctionnelle.

Il n’y a qu’une seule partie fonctionnelle grâce à la notion d’espace connexe et aux règles d’assimilations. De manière générale, pour chaque espace individuel devrait exister une partie fonctionnelle, mais cela en créerait un nombre important et par conséquent, un encodage long et fastidieux.

Les espaces connexes ayant une autre fonction que la partie fonctionnelle principale du bâtiment, mais qui fonctionnent « avec » la partie fonctionnelle en question sont réunis avec celle-ci. Dans le cas que nous étudions, l’espace fonctionnel principal est celui des bureaux et les espaces connexes sont : la cuisine, les sanitaires et les réserves.

Quels sont les critères à respecter pour que le bâtiment soit considéré comme conforme aux exigences Q-ZEN 2021 en Région wallonne ?

  1. Respecter les Umax.
  2. Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs
  3. Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné
  4. Respecter les règles de ventilation décrites dans l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 telle que modifiée par l’AGW du 15/05/2016
  5. Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB

1. Respect des Umax

Les Umax à respecter dans le cas présent sont :

  • Murs : 0.24 W/m²K
  • Toitures : 0.24 W/m²K
  • Planchers : 0.24 W/m²K
  • Fenêtres : 1.50 W/m²K
  • Vitrages : 1.10 W/m²K

Le tableau ci-dessous, extrait du logiciel de calcul PEB, montre que cette exigence a été respectée partout.

Nom de la paroi U (W/m²K)
Fenêtres 0.78

Fenêtre SAS Sud-Ouest 0.69

Vitrages 0.53

Murs extérieurs 0.1

Plafonds 0.06

Planchers 0.08

Les performances des fenêtres et des vitrages ont été montrées à l’aide de pièces justificatives émises par les fabricants.

 

Les châssis en bois avec triple vitrage © JL DERU.

Les performances des murs, plafonds et planchers ont été calculées à l’aide du logiciel PEB.

Les façades

Coupe verticale dans un mur de façade (extrait plan architecte).

Calcul du U du mur de façade à l’aide du logiciel PEB.

Le plafond

Coupe verticale dans le plafond (extrait plan architecte).

Calcul du U du plafond à l’aide du logiciel PEB.

Le plancher

Coupes verticales (longitudinale et transversale) dans le plancher (extrait plan architecte).

Calcul du U du plancher à l’aide du logiciel PEB.

2. Respect du critère K ≤ 35

Lors de la demande de permis d’urbanisme en 2011, les nœuds constructifs (et les éventuels ponts thermiques) n’étaient pas pris en compte dans le calcul PEB. L’impact des nœuds constructifs sur le niveau d’isolation thermique global du bâtiment K doit être considéré si on veut vérifier la conformité du bâtiment avec les règles Q-ZEN qui entreront en vigueur en janvier 2021.

Le résultat obtenu en 2011, ne tenant pas compte des déperditions supplémentaires dues aux nœuds constructifs est donc très optimiste : K11 < K35.

Sera-ce encore le cas si les nœuds constructifs sont intégrés dans le calcul ?

La méthode PEB propose trois manières de prendre en compte les nœuds constructifs, chacune ayant une influence différente sur les résultats :

  1. Option A : méthode détaillée
  2. Option B : méthode des nœuds PEB conformes
  3. Option C : Supplément forfaitaire

L’option A qui est la plus précise nécessite un travail important. Tous les nœuds constructifs doivent être modélisés pour en connaître le Ψ linéaire ou le χ ponctuel. Ils doivent en outre être mesurés et comptés.

L’option B est plus pragmatique. Elle permet une évaluation rapide de la qualité thermique des nœuds constructifs sans pénaliser significativement les résultats du calcul de K et de EW.

L’option C est la plus facile, mais pénalise fortement les résultats.

Option C Option B Sans les nœuds constructifs
K [/] K21
(< K35)		 K14
(< K35) 		K11
(non valable)

Influence de l’option de calcul des nœuds constructifs sur la valeur K obtenue.

L’option C induit un supplément de 10 points à la valeur K tandis que l’option B, lorsque comme c’est le cas ici, tous les nœuds constructifs sont PEB conformes, en ajouterait 3.

Étant donnée la forte isolation du bâtiment, même l’option C permet de respecter le critère du niveau K35. Toutefois, le choix de l’option B est préférable, car les performances annoncées pour le bâtiment ont un impact sur le certificat PEB qui sera délivré en fin de travaux.

Coupe verticale toiture-façade.

Coupe verticale plancher-façade.

Coupe horizontale fenêtre-façade.

Les nœuds constructifs sont PEB conformes (extrait plan architecte).

L’option A aurait également pu être appliquée. Dans ce cas le niveau K aurait été égal ou inférieur à K14.

3. Respect du critère EW ≤ (90/45)

Les exigences à respecter dans une unité PEN varient d’une fonction à l’autre.

Ainsi l’exigence Ew pour les fonctions bureau et enseignement est égale à 45 tandis que pour toutes les autres fonctions, elle est égale à 90.

Lorsqu’il y a dans une même unité PEN plusieurs fonctions, l’exigence est adaptée en fonction du poids proportionnel des différentes fonctions.

Méthode de calcul pour l’exigence EW des unités PEN :

  • E W : l’exigence de niveau EW pour l’unité PEN ;
  • A ch, fct f : la surface totale de plancher chauffée ou climatisée de chaque fonction f, en m² ;
  • E W, fcf f : l’exigence de niveau EW pour chaque fonction f ;
  • A ch : la surface totale de plancher chauffée ou climatisée de l’unité PEN, en m².

Il faut faire la sommation sur toutes les fonctions f de l’unité PEN.

Le bâtiment ne comprend qu’une seule unité fonctionnelle « bureau ». L’exigence EW est donc EW45.

En prenant en compte des nœuds constructifs suivants l’option B, le calcul des performances du bâtiment à l’aide du logiciel PEB donne pour résultat EW25. Cette valeur est bien inférieure au critère EW à respecter.

Étant donnée la forte isolation du bâtiment, même l’option C permet de respecter le critère du niveau EW45. Toutefois, le choix de l’option B est préférable, car les performances annoncées pour le bâtiment ont un impact sur le certificat PEB qui sera délivré en fin de travaux.

Option C Option B Sans les nœuds constructifs
EW EW31
(< EW45)		 EW25
(< EW45)		 EW23
(non valable)

5. Respect des règles de ventilation

La ventilation du bâtiment est assurée par un système D grâce à une centrale double flux avec récupération de chaleur. Le choix de cette centrale de traitement d’air s’est fait suite au calcul du débit nécessaire dans ce bâtiment conformément à l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 tel que modifié par l’AGW du 15/05/2016. Elle répond donc aux exigences PEB Q-ZEN de 2021.

La centrale double flux, qui se situe dans un local technique intérieur, assure un débit de 435 m³/h qui sera distribué dans l’ensemble du bâtiment.

Plan du système de ventilation.

Tableau des débits de ventilation extrait de l’outil de calcul PEB.

Le rendement thermique du groupe de ventilation annoncé par le fabricant est de 95 %. Cette valeur ne correspond pas au rendement calculé selon la norme EN 308 pour le débit concerné de 435 m³/h.

Rendement de l’échangeur annoncé par le fabricant.

Pour connaître le rendement des échangeurs à introduire dans l’outil de calcul PEB, il faut consulter sur la toile  la base de données EPBD qui donne les rendements thermiques des différents appareils en fonction des débits selon la norme EN 308 :
http://www.epbd.be/media/pdf/donnees_produits_peb/product_data/4.4_ventil_FR.pdf

Dans le cas du bâtiment étudié, le rendement à encoder est de 82%.

⇓

Valeur extraite de la base de données EPBD.

6. Respect de la règle de comptage énergétique

Le bâtiment ne compte qu’une seule unité PEB. Cette règle est donc très facile à respecter puisque la présence des compteurs des sociétés distributrices (gaz et électricité) suffit.

Conclusion : Le bâtiment abritant les bureaux de la firme RADERMECKER INTERCHIMIE est Q-ZEN suivant la réglementation wallonne qui est d’application pour ce type de bâtiment à partir du 1er janvier 2021 !

Cela signifie qu’atteindre ce standard est tout à fait réalisable pour les futures constructions, puisqu’un bâtiment performant conçu en 2011 répond déjà aux exigences de 2021.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le bureau d’architecture ayant conçu le bâtiment.
Bureau d’architecture CANEVAS
Notre interlocuteur fut Madame Sophie Hubert, ingénieur-architecte.
Téléphone : +32(0)4 364 11 90
Email : architectes@canevas.be
Site internet : www.canevas.be

 

Author Image Posted By : Sylvie 6 Juil, 2018

Isolation de façades légères par l’extérieur

Isolation par l’extérieur de façades légères dans un centre pour réfugiés

Isolation de façades légères par l’extérieur

« Le Merisier » Centre d’accueil pour réfugiés.

La Croix Rouge de Belgique a rénové certaines façades légères de son centre pour réfugiés à Fraipont et en a profité pour améliorer les performances thermiques de celles-ci en les isolant par l’extérieur.

Introduction

Le centre pour réfugiés de la Croix Rouge de Belgique situé à Fraipont dans la province de Liège accueille de nombreuses personnes chassées de chez elles par les aléas de la vie et de l’histoire dans leurs pays d’origine. Il s’agit de familles ou de personnes isolées, dont un certain nombre de mineurs non accompagnés.

Certains travaux dans les bâtiments sont devenus urgents par vétustés, notamment le remplacement de fenêtres.

Étant donné le faible niveau d’isolation des bâtiments qui datent du début des années 1960, le propriétaire souhaite profiter de ces travaux pour améliorer les performances thermiques des façades d’une partie des bâtiments. Il décide d’installer des châssis et vitrages performants et d’isoler par l’extérieur les parties pleines des façades légères. Un bardage sera placé devant l’isolant.

Le propriétaire a également l’intention d’entreprendre plus tard d’autres travaux d’amélioration de l’enveloppe du volume protégé. Ces travaux ne sont pas encore déterminés. Ils dépendront des urgences et des fonds disponibles.

Le bâtiment

Ancien centre hôtelier de loisir et de délassement de la RTT, il sert actuellement de centre d’accueil pour réfugiés.

Le bâtiment principal qui nous concerne compte environ 7 000 m² de surface de plancher.
Il comprend 6 ailes de logement (chambres), un réfectoire et des locaux de loisir et de service.
Ce sont les façades des étages de l’aile A qui feront l’objet des premiers travaux.

Vue aérienne du bâtiment.

Ailes de logements : A, B, C, D, E et I.

L’aile A :
Le bâtiment A comprend un sous-sol, un rez-de-chaussée et deux niveaux de chambres (+1 et +2)
Ce sont les façades longitudinales (Est et Ouest) des chambres qui doivent être rénovées par remplacement des châssis vitrés et pose d’un bardage isolé devant les façades légères.
Ces travaux concernent environ 7 % de la totalité des façades de l’immeuble.
Le toit plat situé au dessus du niveau +2 est isolé par environ 10 cm de verre cellulaire.

Plan des deux niveaux concernés.

 

Photos 1 et 2 – Façade Est.

Photo 3 – Façade Ouest.

État existant des façades concernées :
Il s’agit de façades légères en aluminium sans coupure thermique.

  • Les parties vitrées pivotent d’une seule pièce. Elles sont munies de double vitrage de la première génération. (U = +/- 3 W/m²K). Les ouvrants sont très lourds à manœuvrer et sont déformés. Ils n’assurent plus aucune étanchéité à l’air.
  • Les parties opaques sont constituées de panneaux pleins placés dans la structure en aluminium. Ces panneaux sont isolés par environ 4 cm de laine de roche insérée entre deux plaques en verre structuré opaque de teinte gris foncé. Les nombreux ponts thermiques causés par la structure en aluminium sans coupure thermique provoquent souvent de la condensation superficielle à de nombreux endroits du côté intérieur.
  • L’absence de ventilation hygiénique de base augmente ces problèmes d’humidité malgré le peu d’étanchéité à l’air des ouvrants.

Situation avant travaux : pivotant vertical et partie pleine.

Partie haute : à gauche, ouvrant vitré ; à droite, partie opaque.

Partie basse : à gauche : ouvrant vitré ; à droite, partie opaque.

Les contraintes

Les risques de condensation interne :

Les vitrages et les cadres en aluminium sont étanches à la vapeur, ils ne peuvent donc pas se trouver du côté extérieur de l’isolant. Si les parties existantes sont conservées, l’isolant devra donc être placé à l’extérieur.

Les ponts thermiques :

  1. Les châssis en aluminium thermiquement très conducteur doivent être recouverts par l’isolant.
  2. Les dalles des balcons sont déjà isolées par le dessous. Elles devraient également l’être par le dessus. Ce n’est pas prévu dans le budget des travaux urgents. Les seuils des portes-fenêtres  seront cependant relevés de manière à pouvoir par la suite isoler le haut des dalles tout en conservant une hauteur de seuil suffisante.
  3. Les rives des façades légères sont en contact avec des façades non isolées. Celles-ci seront  probablement isolées plus tard. Les travaux devront être réalisés de telle manière que les raccords avec les améliorations thermiques futures soient possibles, étanches et sans pont thermique.

L’espace disponible :

Les façades concernées donnent sur des coursives dont la largeur est réduite. L’épaisseur de l’isolant devrait idéalement être la plus importante possible à coût justifié. Pour éviter de rendre les coursives impraticables, l’épaisseur de l’isolant sera cependant limitée.

L’irrégularité de la surface extérieure :

L’isolant devra être suffisamment souple et élastique pour épouser toutes les irrégularités du support et garantir l’absence de vide entre la face extérieure de la façade existante et l’isolant, afin de se prémunir de tout courant d’air froid derrière l’isolant.

La réglementation PEB :

La réglementation PEB prévoit pour ce type de travaux le respect de certaines exigences.

  1. Umax
    • Vitrage : Ug ≤ 1.1 W/m²K
    • Façade légère : Ucw ≤ 2 W/m²K
  2. Ventilation de base
    Tous les châssis sont munis de grilles de ventilations réglables conformes à la norme D50-001

Les agressions mécaniques :

Les coursives sont utilisées de manière intensive. Les éléments de bardage doivent donc être les plus résistants possible, indéformables et faciles à démonter en cas de bris. Le choix s’est porté sur des panneaux en stratifié compact haute pression (HPL) vissés sur une structure en bois.

Le comportement au feu :

Par mesure de sécurité, l’isolant ne sera pas combustible et ne participera pas à la propagation d’un incendie.

L’usage intensif :

Les menuiseries donnant accès des chambres à la coursive sont utilisées en permanence. Leur système d’ouverture sera le plus simple possible pour que la quincaillerie soit résistante et facile à remplacer. Il n’y aura qu’un ouvrant à simple battant par chambre, toutes les autres fenêtres seront fixes.
Les portes-fenêtres seront munies de vitrage de sécurité.

La maîtrise de la surchauffe :

Les apports solaires sont une source importante de surchauffe.

Les balcons constituent des protections fixes efficaces. La protection sera cependant renforcée à l’Ouest par le choix de vitrages avec un facteur solaire g adapté. Le choix de protections solaires extérieures mobiles ne sera pas retenu pour des raisons de fragilité.

La surface vitrée sera diminuée là où c’est possible par le placement de fenêtres plus petites avec allèges opaques. L’isolation sera aussi ainsi améliorée et l’utilisation de l’espace intérieur facilité.

L’occupation du bâtiment pendant les travaux :

Le bâtiment sera occupé en permanence pendant les travaux.

  1. Le chantier devra être sécurisé. Les zones de travail et de circulation réservées seront clairement signalées, Des consignes de sécurité seront communiquées, à l’entrepreneur et aux occupants du centre.
  2. Une grande partie de la façade légère ne sera pas démontée. Cela réduit l’impact des travaux et les surfaces devant être ouvertes.
  3. Les parties enlevées devront être remplacées avant la fin de chaque journée. Dès que les châssis existants seront enlevés, les nouveaux châssis seront placés. L’isolation par l’extérieur et le bardage seront réalisés en deuxième phase lorsque le bâtiment aura été refermé.

La pose d’antennes paraboliques :

Les occupants du centre cherchent à garder des contacts culturels avec leurs communautés d’origine. Un des moyens utilisés est de suivre les émissions télévisées transmises par satellite. Des antennes paraboliques sauvages sont donc installées un peu partout sur le site. Les câbles de connexion rentraient dans le bâtiment par les portes-fenêtres. Celles-ci étaient forcées ou maintenues entrebâillées. Les câbles étaient abîmés. Des passages pour câbles devront donc être prévus.

Les travaux réalisés

Les façades sont constituées d’une structure en aluminium sans coupure thermique soutenant deux types de fermetures : des parties vitrées ouvrantes et des parties opaques fixes.
La structure sera conservée. Les parties vitrées seront remplacées. Les parties opaques seront conservées et isolées par l’extérieur.

Remplacement des parties vitrées

  1. L’ouvrant et de son cadre dormant sont enlevés en conservant la structure de la façade légère. Seuls les ensembles qui pourront être remplacés dans la journée sont retirés.
    Les anciens châssis sont faciles à démonter, car ils sont simplement fixés mécaniquement à la structure qui reste intacte après démontage.
  2. Le seuil des portes est relevé pour permettre la pose ultérieure d’un isolant thermique sur le sol du balcon tout en conservant une hauteur de relevé d’étanchéité suffisante.
  3. Pose de châssis en PVC 5 chambres thermiquement performants avec double vitrage basse émissivité (Ug=1.1 W/m²K) . Le Uw de la fenêtre est de 1.39 W/hm².
    Seule une moitié de la fenêtre s’ouvre pour des raisons de solidité et de facilité de réparation.Le châssis est dans le même plan que le nouvel isolant extérieur et en contact avec celui-ci de manière à garantir la continuité de la couche isolante et éviter les ponts thermiques.Tous les châssis sont munis de grilles de ventilation (OAR) conformes à la norme NBN D50-001.
    Le double vitrage orienté à l’Ouest aura un facteur solaire g ≤42  pour diminuer les risques de surchauffe.
    La finition intérieure est réalisée à l’aide d’éléments préfabriqués en mousse de PVC dense.
    Les châssis sont blancs du côté intérieur et gris anthracite du côté extérieur.
  4. Lorsque les chambres possèdent deux fenêtres, l’une des deux sera munie d’une allège pleine avec bardage pour diminuer les coûts, les déperditions thermiques et les apports solaires. On améliore aussi ainsi les possibilités d’aménagement de ces chambres.

Enlèvement des châssis pivotants existants.

Rehausse du seuil sous les nouveaux châssis.

Nouveau châssis posé vu de l’intérieur avec finition périphérique.

Nouveau châssis posé vu de l’extérieur avant pose du bardage.

 

Châssis fixe avec allège isolée.

Parties pleines :

  1. Les parties existantes sont conservées (structure, vitrages, isolant entre les vitrages).
  2. La base de la façade légère est adaptée pour garantir un relevé d’étanchéité suffisant en cas d’isolation future du plancher des balcons. Un relevé minimum de 15 cm est nécessaire pour respecter les règles de l’art. (NIT 244 du CSTC).
    La membrane d’étanchéité en EPDM en attente restera visible au bas du bardage. Elle permettra lors de travaux ultérieurs (isolation du sol du balcon) de raccorder la nouvelle étanchéité du balcon sans démonter le nouveau bardage et les châssis.
  3. La structure portante du bardage constituée de montants en bois est fixée par des plats métalliques à la structure existante en aluminium.
  4. Une couche d’isolant en placée entre les montants existants en aluminium et une deuxième couche d’isolant est posée sur toute la surface de manière à isoler en même temps la structure (réduction des ponts thermiques). La laine de roche a été utilisée pour sa souplesse et son comportement au feu.
  5. Un pare pluie extérieur maintient l’isolant en place à l’aide des montants de fixation du bardage. La couche de ventilation est obturée par des profilés perforés.
  6. Un bardage ventilé en plaques de stratifié homogène résistant aux chocs et à un usage intensif est fixé sur les montants en bois de la structure. Le bardage est d’un gris similaire aux parties opaques existantes avant travaux. Il est attaché à l’aide de vis apparentes de la même teinte que le bardage de manière à pouvoir remplacer facilement les plaques abîmées.

La structure existante en aluminium et les panneaux de verre opaque.

Schéma extrait de la NIT 244 du CSTC montrant le relevé d’étanchéité nécessaire dans le cas d’une toiture plate en buttée contre un mur isolé par l’extérieur avec cimentage.

 

Isolant en verre cellulaire à la base du bardage recouvert de la membrane d’étanchéité en attente (EPDM).

  

Structure portante du bardage fixée à la structure existante en aluminium.

Isolant (laine de roche) dans la structure en aluminium et devant celle-ci.

Pare-pluie perméable à la vapeur.

Profilé d’obturation de la couche d’air fortement ventilée.

Bardage posé.

Vis de fixation de la même couleur que le bardage.

Plan schématique des travaux réalisés

Élévation des façades avant transformation.

Élévation des façades après transformation.

Les deux types de nouvelles fenêtres.

Détails de principe figurant dans le cahier spécial des charges.

Conformité des travaux avec la réglementation PEB

Type de travaux

Les travaux réalisés consistaient en une « rénovation simple » dans le sens de la réglementation PEB.

En effet, sont considérés comme des rénovations simples, les actes ou travaux de transformation qui sont de nature à influencer la performance énergétique du bâtiment, mais qui portent sur moins du quart de la surface  de l’enveloppe du bâtiment.

Règles PEB à respecter

Étant donné le type de travaux (rénovation simple) une seule exigence est d’application : le respect de Umax et/ou Rmin des éléments modifiés et neufs et le respect des règles en matière de ventilation.

Umax à respecter pour les façades légères et les vitrages en 2016.

Umax

  • Vitrage : Ug = 1.1 W/m²K et 1.0 W/m²K ≤ 1.1 W/m²K -> OK
  • Façade légère : Ucw = 0.86 W/m²K et 0.81 W/m²K ≤ 2 W/m²K -> OK

Ventilation de base

  • Tous les châssis sont munis de grilles de ventilations réglables (OAR) conformes à la norme D50-001. -> OK
    (Une extraction mécanique est prévue dans les locaux humides.)

Le confort

Comme attendu, la perception d’une amélioration du confort fut immédiate.

  • Facilité de manœuvre des ouvrants par les occupants.
  • Solidité et facilité d’entretien pour l’équipe technique de maintenance.
  • Absence de sensation de froid par rayonnement vers la façade.
  • Diminution de la surchauffe en été.
  • Absence de condensation sur la structure en aluminium.
  • Ventilation de base possible sans devoir entrebâiller une porte.
  • Moins de bris de vitrage.
  • Aspect moins vétuste.

Les économies d’énergie

Le coefficient de transmission thermique de l’ancienne façade légère était d’environ Ucw = 3.61 W/m²K.

Le coefficient de transmission thermique de la façade légère après transformation est passé en moyenne à environ Ucw = 0.83 W/m²K.

La différence est de 3.61 W/m²K – 0.83 W/m²K = 2.78 W/m²K.

Étant donné l’origine culturelle, la sédentarité imposée et l’inquiétude des résidents, la température à l’intérieur des chambres occupées quasiment en permanence est relativement élevée tant le jour que la nuit. Nous l’avons estimée la journée à 25°C en moyenne. L’impact de cette température sur les déperditions thermiques est important. L’isolation des façades en est d’autant plus utile.

On peut estimer que les travaux ont permis une économie d’énergie annuelle d’environ 468 kWh par m² de façade légère.

Coût des travaux et temps de retour

Les travaux ont coûté 94.000,00 € HTVA auxquels sont ajoutés les frais d’études et de coordination. Soit, toutes charges comprises, 106.000,00 €. 340 m² de façade légère ont été rénovés. Le coût de la rénovation au m² s’élève donc à environ 312.00 €/m².

Dans ce cas, le temps de retour est de 8,3 ans si on considère que le rendement de l’installation de chauffage est de 70% et que le gasoil coûte 0.80 €/litre.

Si on estime que les fenêtres devaient de toute façon être remplacées et que celles qui ont été placées correspondent aux standards moyens actuels, le coût de celles-ci peut être considéré comme des frais normaux d’entretien de l’immeuble. Il peut être déduit des investissements liés à l’amélioration thermique de la paroi. 35.000,00 € peuvent donc être soustraits des 106.000,00 € dépensés. Le temps de retour dans les mêmes conditions serait de 5.6 ans.

Calculs

 Évaluation de la rentabilité de l’isolation d’une paroi

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par l’architecte auteur du projet (Claude Crabbé Ir. Arch.) et le maître de l’ouvrage (la Croix Rouge de Belgique).

La menuiserie Demarche ( http://www.menuiserie-demarche.be) a effectué les travaux après avoir réalisé elle-même les plans d’exécution.

Author Image Posted By : Sylvie 19 Juin, 2018

Comment améliorer encore un bâtiment performant ?

Impact des choix techniques sur le niveau de performance énergétique d’une crèche

La crèche « Fort Lapin ».

Conçue en 2013 et terminée en 2017, la crèche « Fort Lapin » de Louvain-la-Neuve avait déjà dès sa genèse tous les atouts nécessaires pour répondre aux exigences de la réglementation wallonne sur la performance énergétique des bâtiments (PEB) programmées seulement à partir du 1er janvier 2019 pour les bâtiments publics et à partir du 1er janvier 2021 pour les autres bâtiments.

Quelles auraient été les performances du bâtiment si d’autres choix avaient été faits tant au niveau de l’enveloppe que des installations ?

Introduction

Le bâtiment d’une superficie d’environ 500 m² est prévu pour accueillir 36 enfants. Conscients des enjeux énergétiques dans le futur, l’architecte et le maître de l’ouvrage ont voulu dès 2013 investir dans un bâtiment performant en matière de consommation d’énergie et de confort.

L’objectif a été atteint.

Quelles auraient été les performances de ce bâtiment si d’autres choix avaient été effectués ? Une étude a été réalisée pour évaluer l’impact sur celles-ci :

  • de l’isolation thermique des parois opaques ;
  • des caractéristiques des vitrages ;
  • des nœuds constructifs ;
  • de l’étanchéité à l’air de l’enveloppe ;
  • du choix de la production de chaleur ;
  • de l’installation de panneaux photovoltaïques.

Description du bâtiment

Rez-de-chaussée.

Étage.

Les plans de la crèche

Le bâtiment entouré de verdure est de type « 4 façades ». Les locaux se répartissent sur deux niveaux. L’étage, plus petit que le rez-de-chaussée, donne accès à de vastes terrasses.

La crèche compte 3 sections (petits, moyens, grands) clairement séparées, les petits occupant l’étage.

Structure

Les murs et les planchers sont en bois massif de type CLT (cross-laminated timber). Les panneaux qui les constituent sont porteurs. Ils consistent en un assemblage par collage, clouage et/ou goujonage d’un nombre impair de couches de planches de bois de construction (au moins trois couches) placées perpendiculairement les unes des autres.

Les murs du bâtiment comptent 5 couches (9 cm) ou 7 couches (13 cm). Les planchers comptent 9 couches (16 cm).

Le système CLT.

Isolation thermique de l’enveloppe

Les façades sont isolées thermiquement par l’extérieur.

  • Les murs recouverts d’un parement extérieur en brique ou d’un capot en aluminium ont une couche isolante de 13 cm de mousse de polyuréthane (PUR).

Isolant recouvert par le parement (à gauche) et en attente de capot Alu (à droite).

Cimentage sur isolant.

Les châssis en bois de forte section sont munis de triple vitrage.

Les châssis en bois avec triple vitrage.

Les planchers posés sur sol ou situés au-dessus d’un vide ventilé ont une couche isolante de 22 cm de mousse de polystyrène extrudé (XPS).

Les toitures plates sont du type toiture chaude avec une couche isolante de 24 cm de mousse de polyuréthane (PUR).

La toiture inclinée à ossature bois est complètement remplie de 30 cm de cellulose.

Installations techniques

Le chauffage est du type chauffage central avec convecteurs alimentés en eau chaude par une chaudière à gaz à condensation de 40 kW.

La chaudière étanche à Gaz à condensation.

La ventilation mécanique de type D est munie d’un récupérateur de chaleur et d’une batterie de chauffe externe pour pouvoir pulser l’air dans le bâtiment directement à bonne température.

L’eau chaude sanitaire (ECS) est produite par la chaudière du chauffage central et stockée dans un ballon de 300 litres. Une boucle d’ECS assure une disponibilité quasi immédiate aux points de puisage répartis dans le bâtiment.

L’éclairage est assuré par des appareils à basse consommation. La plupart ont un système de commande manuel excepté dans les locaux où la présence humaine est moins importante (couloirs, espaces de rangement, buanderie, …) où ils sont commandés par détection de présence.

La puissance moyenne pour l’éclairage est d’environ 3 W/m² grâce au choix d’appareils munis de LED partout où ils convenaient.

Appareil d’éclairage à LED.

Conformité avec les exigences du standard Q-ZEN PEB 2021 (2019)

Le bâtiment a été évalué par rapport aux exigences PEB et, plus particulièrement, au standard Q-ZEN. Le fichier PEB initial encodé en 2013 a été analysé. Ensuite, il a été mis à jour en supposant un encodage en 2021 (ou en 2019 pour les bâtiments publics).
La crèche « Fort Lapin » est un bâtiment neuf ayant comme fonction soin de santé sans occupation nocturne.

L’ensemble du bâtiment ne comporte qu’un seul volume protégé, une seule unité PEB, une seule zone de ventilation et une seule partie fonctionnelle.

Il n’y a qu’une seule partie fonctionnelle grâce à la notion d’espace connexe et aux règles d’assimilations. De manière générale, pour chaque espace individuel devrait exister une partie fonctionnelle, mais cela en créerait un nombre important et par conséquent, un encodage long et fastidieux.

Les espaces connexes ayant une autre fonction que la partie fonctionnelle principale du bâtiment, mais qui fonctionnent « avec » la partie fonctionnelle en question sont réunis avec celle-ci. Dans le cas que nous étudions, l’espace fonctionnel principal est celui des soins de santé sans occupation nocturne et les espaces connexes sont : la cuisine, les communs, les bureaux, les couloirs horizontaux et autres (réserve, buanderie, …). Il reste alors les couloirs verticaux. Grâce aux règles d’assimilations, ceux-ci peuvent être intégrés à la partie fonctionnelle principale, car leur surface est inférieure à 25 % de la surface de celle-ci et ont une surface totale ≤ 250 m².

Quels sont les critères à respecter pour que le bâtiment soit considéré comme conforme aux exigences Q-ZEN 2021 (2019) en Région wallonne ?

  1. Respecter les Umax.
  2. Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
  3. Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné.
  4. Respecter les règles de ventilation décrites dans l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 telles que modifiées par l’AGW du 15/05/2016.
  5. Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB.

1. Respect des Umax

Les Umax à respecter dans le cas présent sont :

  • Fenêtres : 1.50 W/m²K
  • Vitrages : 1.10 W/m²K
  • Murs : 0.24 W/m²K
  • Toitures : 0.24 W/m²K
  • Planchers : 0.24 W/m²K

Le tableau ci-dessous montre que cette exigence a été respectée partout sauf pour les murs contre terre.

Tableau extrait du rapport PEB reprenant les niveaux U des différentes parois.

Le bâtiment répond cependant aux exigences, car la réglementation permet un dépassement du Umax pour maximum 2 % de la surface des parois de l’enveloppe du volume protégé.

Dans le cas présent, les murs contre terre ont une surface de 17 m² alors que la surface totale de déperdition est de 1 242 m². La surface des murs contre terre ne représente donc que 1.3 % de la surface totale de déperdition. Si cela n’avait pas été le cas, il eut été facile d’augmenter de 3 cm l’épaisseur de l’isolant de la paroi trop faible et rendre ainsi le bâtiment conforme au critère Umax.

⇓

3 cm d’isolant suffisent pour rendre le plancher conforme au critère Umax.

2. Respect du critère K ≤ 35

L’impact des nœuds constructifs sur le niveau d’isolation thermique global du bâtiment K est pris en compte dans la méthode PEB.

Cette méthode propose trois manières de les prendre en compte, chacune ayant une influence différente sur les valeurs PEB :

  1. Option A : méthode détaillée ;
  2. Option B : méthode des nœuds PEB conformes ;
  3. Option C : Supplément forfaitaire.

Pour l’encodage de la crèche Fort Lapin, l’option B été choisie.

Une fois cette option choisie il a donc fallu, pour chaque nœud, vérifier s’ils étaient PEB conforme ou non.

Exemple de l’analyse de l’un d’entre eux :

Analyse du nœud constructif « pied de mur brique » [A. de France, 2018].

Pour que ce nœud soit PEB conforme, il faut qu’il réponde aux trois exigences suivantes :

  1. λélément intermédiaire ≤ 0,2 W⁄mK
  2. Rélément intermédiaire ≥ min⁡(Risolant 1⁄2 ; Risolant 2⁄2)
    ou Rélément intermédiaire > 2m²K⁄W
  3. dcontact ≥ 1⁄2 * min⁡(épaisseur de l’isolant le moins épais)

Dans ce cas-ci, l’élément intermédiaire est la structure en bois contrecollé, l’isolant 1 est du PUR et l’isolant 2 est une chape en PU projeté :

  1. λélément intermédiaire = 0,12 W⁄mK ≤0,2 W⁄mK -> V
  2. Rélément intermédiaire = 0,30/0,12 = 2,50 m²K⁄W ≥ min⁡(0,13/0,023 ⁄ 2;0,20/0,025 ⁄2) -> X
    ou Rélément intermédiaire = 0,30/0,12 = 2,5 m²K⁄W > 2 m²K⁄W -> V
  3. dcontact = 0,3 m ≥ 1⁄2 * 0,13 m -> V

Dans le cas de la crèche, tous les nœuds constructifs étaient PEB conformes ou avaient des performances particulièrement élevées. Aucun n’a donc dû être encodé manuellement.

Le niveau K calculé à partir de la géométrie du bâtiment, du coefficient de transmission thermique U de toutes les parois de la surface de déperdition et des nœuds constructifs est égal à K19, valeur nettement inférieure à la valeur maximale autorisée K35.

3. Respect du critère EW ≤ (90/45)

Les exigences à respecter dans une unité PEN varient d’une fonction à l’autre.

Ainsi l’exigence Ew pour les fonctions bureau et enseignement est égale à 45 tandis que pour toutes les autres fonctions, elle est égale à 90.

Lorsqu’il y a dans une même unité PEN plusieurs fonctions, l’exigence est adaptée en fonction du poids proportionnel des différentes fonctions.

Méthode de calcul pour l’exigence Ew des unités PEN :

  • EW : l’exigence de niveau EW pour l’unité PEN ;
  • Ach, fct f : la surface totale de plancher chauffée ou climatisée de chaque fonction f, en m² ;
  • EW, fcf f : l’exigence de niveau E W pour chaque fonction f ;
  • Ach : la surface totale de plancher chauffée ou climatisée de l’unité PEN, en m².

Il faut faire la sommation sur toutes les fonctions f de l’unité PEN.

La crèche ne comprend qu’une seule unité fonctionnelle « soins de santé, sans occupation nocturne ». L’exigence EW est donc EW90.

Le calcul des performances du bâtiment à l’aide du logiciel PEB donne pour résultat EW71. Cette valeur est bien inférieure au critère EW à respecter.

4. Respect des règles de ventilation

La ventilation du bâtiment est assurée par un système D grâce à une centrale double flux avec récupération de chaleur. Le choix de cette centrale de traitement d’air s’est fait suite au calcul du débit nécessaire dans ce bâtiment conformément à l’annexe C3 de l’AGW du 15/05/2014 tel que modifié par l’AGW du 15/05/2016. Elle répond donc aux exigences PEB Q-ZEN de 2021 (2019).

La centrale double flux, qui se situe dans les combles, assure un débit de 1 170 m³/h qui sera distribué dans l’ensemble du bâtiment. Le débit du ventilateur d’extraction est égal à un pourcentage du débit du soufflage. Cela permet de mettre le bâtiment en légère surpression et d’éviter toute entrée d’air parasitaire. La régulation du débit s’est faite grâce à des clapets autorégulants à débit constant. Une batterie externe a été ajoutée à la centrale pour pouvoir pulser l’air dans le bâtiment directement à bonne température (20,6 °C).

Tableau récapitulatif dans le rapport PEB .- Les gaines de ventilation.

Tableau des débits de ventilation affiché par le logiciel PEB.

5. Respect de la règle de comptage énergétique.

Le bâtiment ne compte qu’une seule unité PEB. Cette règle est donc très facile à respecter puisque la présence des compteurs des sociétés distributrices (gaz et électricité) suffit.

Conclusion : la crèche Fort Lapin est un bâtiment Q-ZEN !
Cela signifie qu’atteindre ce standard est tout à fait réalisable pour les futures constructions, puisqu’un bâtiment performant conçu en 2013 répond déjà aux exigences de 2021 (2019).

Le confort dans la crèche

Le bâtiment répond aux exigences PEB de 2021, mais est-il confortable ?
L’ambiance a été analysée dans les 3 pièces principales de la crèche et ensuite, le ressenti des occupants a été étudié.

Prise des mesures

Pour les mesures intérieures, des sondes enregistreuses ont été placées pendant un mois dans le local principal des différentes sections (petits, moyens, grands). Les données extérieures ont été fournies par le service de prévision météorologique METEOBLUE.

Courbe de l’évolution de la température dans les différentes sections.

De manière théorique, la température dans les différentes sections se situe dans la zone de confort (entre 19.5 °C et 25 °C) à l’exception de certains pics exceptionnels. Dans les zones de repos, on veillera cependant à maintenir la température la plus basse possible pour éviter la mort subite du nourrisson.

Dans une crèche, les puéricultrices sont très attentives à maintenir une température suffisante pour le confort et la santé des bébés et jeunes enfants. La température de consigne est, dès le départ, relativement élevée. À cause de la faible inertie du bâtiment, si en cours de journée, la température extérieure et l’ensoleillement augmentent, l’effet se traduit rapidement à l’intérieur du bâtiment par une augmentation de la température.

Durant la période de mesures, la température extérieure était toujours inférieure à la température intérieure. Une bonne gestion de la ventilation intensive de jour aurait pu maintenir la température des locaux dans la zone de confort. Cela ne serait pas possible lors de fortes chaleurs en été. Durant les fortes chaleurs, il sera sûrement nécessaire d’anticiper les risques en prenant toutes les mesures utiles pour se protéger de la chaleur.

L’humidité relative dans les locaux se trouve comprise entre 20 % et 40 %. Lorsqu’il fait plus froid dehors, elle se trouve sous la limite inférieure de la zone de conforts (30 %).

Cette analyse expérimentale correspond relativement bien avec les ressentis des occupants. Si on regarde les tableaux n° 27,28 et 29, on remarque que les employées, à l’exception de ceux de la section des moyens, trouvent l’air trop sec. Un organe de déshumidification n’aurait donc pas d’intérêt dans ce bâtiment tandis qu’un organe d’humidification pourrait être intéressant.

Ressenti des occupants

Afin de connaître la satisfaction de confort des employés de la crèche, il leur a été demandé de répondre à une grille d’évaluation de manière hebdomadaire pendant le mois des mesures.

Les employées déclarent avoir trop chaud début avril (9, 10 et 11 avril). Le reste du temps, ils apprécient la température ambiante à quelques exceptions où ils disent avoir plutôt chaud à plusieurs reprises malgré que la température intérieure soit comprise entre les deux limites du confort. Les ressentis des occupants correspondent relativement bien à ceux prévisibles à la lecture des mesures. Certains employés indiquent que malgré l’ouverture des fenêtres certains jours, il continue à faire beaucoup trop chaud.

Lorsque l’air est trop sec, les occupants le signalent. C’est beaucoup plus manifeste dans la section des petits où la température de l’air est plus élevée.

Conclusions

Le bâtiment est toujours en phase de rodage et certains réflexes préventifs doivent encore être acquis pour diminuer les surchauffes. Ces réflexes viendront avec l’expérience de ses utilisateurs.

En été, vu la faible inertie du bâtiment, en période de forte chaleur, il sera probablement difficile de maintenir la température sous la limite théorique de confort. La température intérieure ne descendra pas en dessous de la température extérieure. Des protections solaires et une bonne ventilation à certains moments de la journée seront indispensables pour maintenir le confort à des niveaux acceptables. Une nouvelle campagne de mesure et de concertation avec les utilisateurs durant cette période serait très instructive.

Un organe d’humidification de l’air est manifestement nécessaire en hiver lorsque l’air est très sec.

Impact de l’isolation des parois opaques sur les performances

Comme nous l’avons vu précédemment le bâtiment tel qu’il a été construit respecte les exigences PEB 2021 (2019), c’est-à-dire le niveau Q-ZEN. Que se serait-il passé si l’isolation des parois de l’enveloppe du volume protégé avait été réalisée à la limite du respect des exigences sur le coefficient de transmission thermique U ?

Le tableau ci-dessous reprend les valeurs de U initiales (projet réalisé) et de U finales (hypothèse de calcul = Umax)

Parois λ
Isolant [W/mK]		 Épaisseur initiale [cm] Épaisseur finale [cm] U initiale [W/m²K] U finale [W/m²K]
Façade 1 brique 0,023 13 7,6 0,16 0,24
Façade 2 enduits 0,032 18 10 0,15 0,24
Panneaux châssis 0,023 13 7,6 0,16 0,24
Mur contre terre 0,023 6 6 0,33* 0,33*
Mur contre EANC 0,023 18 8,5 0,12 0,24
Dalle sur sol 0,025 22 5 0,12 0,24
Dalle sur vide technique 0,025 22 10 0,12 0,24
Toit plat terrasse 0,024 12 1,6 0,12 0,24
Toiture plate couvrant RDC arrière 0,026 24 1,7 0,08 0,24
Toiture plate section moyens 0,026 18 0,5 0,09 0,24
Toiture en pente 0,039 30 17 0,15 0,24

Variation de l’épaisseur d’isolant dans la crèche Fort Lapin [A. de France, 2018].

* cette valeur est supérieure à Umax. Elle n’a pas été modifiée. La surface de la paroi concernée est comprise dans les 2% ne devant pas respecter les Umax.

L’impact sur K et EW est repris dans le tableau ci-dessous

Valeur initiale Valeur finale Delta [points]
K [/] 26 34 +8
EW [/] 70 76 +6

Influence de l’épaisseur de la couche d’isolant sur les valeurs PEB de la crèche Fort Lapin [A. de France, 2018]

On constate que pour la crèche « Fort Lapin » le respect des Umax permet de respecter les critères K (K35) et EW (EW90).
Attention, cela ne signifie pas que ce serait le cas pour d’autres bâtiments différents par leurs fonctions, leurs installations techniques, leurs compacités, etc.

On peut également se demander quel impact a le niveau d’isolation :

  • sur la consommation en énergie primaire de ce bâtiment ;
  • sur le niveau K ;
  • sur le niveau EW.

Consommation en énergie primaire

Le tableau ci-dessous reprend les besoins en énergie primaire pour le chauffage et le refroidissement en fonction du U moyen pondéré des parois de l’enveloppe du volume protégé de la crèche.

Evolution de la consommation annuelle en EP selon l’isolation des parois [A. de France, 2018].

Plus UPAROI augmente, plus on est mal isolé et donc plus il faudra chauffer le bâtiment. Par contre si UPAROI augmente, il faudra également moins refroidir le bâtiment, car celui-ci se refroidira par transmission thermique puisque de manière générale, il fait plus chaud à l’intérieur du bâtiment qu’à l’extérieur. Les courbes sont évidemment théoriques puisque UPAROI = 0 W/m²K est impossible à atteindre.

Il existe un optimum d’isolation qui serait intéressant à déterminer afin d’isoler un minimum et de consommer un minimum. Cet optimum sera spécifique à ce bâtiment et à son utilisation. Il dépendra principalement du prix des combustibles. Si les prix sont bas, cela ne nous coûtera pas cher de chauffer et donc on isolera moins.

Niveau K

Le graphe ci-dessous montre l’évolution du niveau K en fonction du coefficient de transmission moyen des parois de l’enveloppe du volume protégé. Il s’agit d’une droite puisque le niveau K directement proportionnel au U moyen pondéré. Il est déterminé par 100 fois le produit de cette valeur par un coefficient dépendant de la compacité du bâtiment. Le point d’origine de la droite est évidemment théorique, puisque UPAROI = 0 W/m²K est impossible à atteindre.

Niveau EW

La courbe ci-dessous montre l’évolution du niveau EW du bâtiment lorsqu’on fait varier le niveau U moyen.

Impact de l’isolation des vitrages sur les performances

Les valeurs par défaut du coefficient de transmission thermique du simple vitrage (U = 5,80 W/m²K), du double vitrage (3,30 W/m²K) et du triple vitrage (2,30 W/m²K), sont supérieures aux exigences de la PEB (Umax = 1,10 W/m²K). Les valeur par défaut ne pourront donc être utilisées que si la surface des vitrages fait partie des 2% de la surface de la déperdition totale AT qui peuvent déroger à la règle des Umax.

U
[W/m²K]
Simple Clair (8 mm) 5,8
Double Clair 2,8
Clair + basse émissivité 1,6
Clair + absorbant 2,8
Clair + réfléchissant 2,8
Clair + basse émissivité +contrôle solaire 1,6
Clair + basse émissivité + gaz isolant 1 à 1,3
Clair + basse émissivité + contrôle solaire + gaz isolant 1 à 1,3
Triple Clair 1,9
Clair + basse émissivité + gaz isolant 0,5 à 0,8
Clair + basse émissivité + contrôle solaire + gaz isolant 0,5 à 0,8

Récapitulatif du type de vitrage standard disponible sur le marché aujourd’hui [A. de France, 2018].

Les valeurs surlignées en rouge sont des valeurs supérieures aux exigences du standard Q-ZEN.

Celles en bleu sont des valeurs dont une partie est également supérieure aux exigences. Cela réduit le choix du type de vitrage autorisé dans un bâtiment devant répondre aux exigences PEB.

Les vitrages des fenêtres de la crèche « Fort Lapin » ont un Ug = 0.5 W/m²K

Consommation en énergie primaire

Le tableau ci-dessous reprend les besoins en énergie primaire pour le chauffage et le refroidissement du bâtiment si on fait varier le U moyen des vitrages tout en conservant les mêmes facteurs solaires g.

Évolution de la consommation annuelle en EP selon l’isolation des vitrages [A. de France, 2018].

Des ressauts se produisent lorsque le Ug du vitrage devient supérieur au Uf du châssis. À ce moment la formule simplifiée utilisée dans la méthode de calcul change. La surface de vitrage par défaut passe de 70 % à 80 % de la surface de la fenêtre. Les apports solaires deviennent alors plus importants ce qui diminue les besoins en chauffage en hiver et augmente les besoins en refroidissement en été.

Si les proportions exactes de vitrage et de châssis avaient été encodées, il n’y aurait pas de ressaut.

Niveau K

Le graphe ci-dessous montre l’évolution du niveau K en fonction du coefficient de transmission moyen des vitrages. Il s’agit d’une droite puisque le niveau K directement proportionnel au U moyen pondéré qui lui-même varie linéairement en fonction du Ug du vitrage. Il n’y a pas de ressaut dans la droite puisque les apports solaires n’interviennent pas dans le calcul du K.

Évolution de K en fonction de l’isolation des vitrages [A. de France, 2018].

Niveau EW

Le graphe ci-dessous montre l’évolution du niveau K en fonction du coefficient de transmission moyen des vitrages.

Évolution d’EW en fonction de l’isolation des vitrages [A. de France, 2018].

EW étant fonction de l’EP totale consommée, elle dépend directement de l’EP consommée pour le chauffage et l’EP consommée pour le refroidissement. Ces deux-ci étant linéaires, il est logique qu’EW le soit aussi. De plus, vu qu’ils ont tous les deux un saut au même endroit, il est logique qu’EW présente une discontinuité en ce point.

Tableau de synthèse

UVITRAGE
[W/m2K]		 K [/] EW [/]
0,0* 23 68
0,1* 24 69
0,2* 24 69
0,3* 25 69
0,4* 25 70
0,5 26 70
0,6 26 70
0,7 27 71
0,8 27 71
0,9 28 72
1,0 29 72
1,1 29 73

Influence de l’isolation des vitrages sur les exigences PEB de la crèche Fort Lapin [A. de France, 2018].

* ces vitrages n’existent pas (encore ?) actuellement.

Impact de l’isolation de toutes les parois sur les performances

Nous avons remarqué ci-avant que si l’on isolait toutes les parois à la limite des exigences, nous répondrions toujours aux exigences K et EW. Il en va de même pour les fenêtres et leurs châssis. Qu’en est-il si on le faisait pour les deux ?

Valeur initiale Valeur finale Delta [points PEB]
K [/] 26 40 +14
EW [/] 70 81 +11

Influence de l’isolation de la crèche Fort Lapin sur les valeurs PEB [A. de France, 2018].

Si on répond bien aux différentes exigences U, on ne répond plus à celle de K. Cette dernière est donc plus sévère que l’exigence U dans le cas de la crèche.

L’exigence qui sera la plus sévère dépendra de la compacité du bâtiment et de la proportion entre parois opaques et les parois transparentes.

Une compacité plus élevée est toujours souhaitable, mais ce n’est pas toujours possible à cause des contraintes architecturales par exemple.

Impact des nœuds constructifs sur les performances

Il existe trois manières de prendre en compte les nœuds constructifs, chacune ayant une influence différente sur les valeurs PEB.

  1. Option A : méthode détaillée ;
  2. Option B : méthode des nœuds PEB conformes ;
  3. Option C : Supplément forfaitaire.

-> L’option A qui est la plus précise nécessite un travail important. Tous les nœuds constructifs doivent être modélisés pour en connaître le Ψ linéaire ou le χ ponctuel. Ils doivent en outre être mesurés et comptés.

-> L’option B est plus pragmatique. Elle permet une évaluation rapide de la qualité thermique des nœuds constructifs sans pénaliser significativement les résultats du calcul de K et de EW.

-> L’option C est la plus facile mais pénalise fortement les résultats.

Option C Option B Delta [points]
K [/] 26 19 -7
EW [/] 70 64 -6

Influence des nœuds constructifs sur les valeurs PEB de la crèche Fort Lapin [A. de France, 2018].

Les résultats obtenus correspondent avec ce qui était prévisible. En effet, de manière globale, utiliser l’option C induit un supplément de 10 points à la valeur K tandis que l’option B, lorsque comme c’est le cas ici, tous les nœuds constructifs sont PEB conformes, en ajouterait 3. Il y a donc bien une différence de plus ou moins 7 points entre les deux options. Cette différence a également un impact important sur le EW. Celui-ci varie en fonction de la compacité du bâtiment.

Utiliser l’option B lorsque la majorité des nœuds constructifs sont PEB conformes est donc une manière facile de gagner des points PEB sur les exigences K et EW.

Impact de l’étanchéité à l’air sur les performances

Que se passe-t-il lorsque l’étanchéité à l’air de l’enveloppe de la crèche « Fort Lapin » est différente ? En d’autres mots, que se passe-t-il lorsque v50 varie ? (v50 représente le débit de fuite pour une différence de 50Pa entre l’intérieur et l’extérieur par unité de surface de l’enveloppe [m³/h.m²]).
Le cahier spécial des charges demandait que le v50 ne dépasse pas 0.92 m³/hm². Malheureusement, la valeur mesurée lors de la réception du bâtiment était 1.98 m³/hm². C’est donc cette dernière valeur qui a été utilisée dans la déclaration PEB finale.

Actuellement, d’après le CSTC, les bâtiments construits sans attention particulière à l’étanchéité à l’air ont un v50 variant entre 6 et 12 m³/(h.m²). Elle varie entre 2 et 6 m³/(h.m²) lorsqu’une conception judicieuse et une mise en œuvre soignée a été appliquée. Pour descendre sous ces valeurs, une véritable expertise est nécessaire tant au niveau de la conception que de l’exécution : chaque détail, chaque nœud constructif, … doit être correctement analysé et tous les corps de métier doivent être sensibilisés et impliqués dans cette recherche d’étanchéité à l’air.

Le tableau ci-dessous indique les valeurs K et EW qu’aurait atteint le bâtiment si son étanchéité à l’air avait été différente.

Valeur mesurée sur site Valeur visée dans le cahier des charges Valeur théorique minimum Valeur max lors d’une attention très particulière Valeur max lors d’une faible attention Valeur maximum (par défaut)
v50 [m³/h.m²] 1,98 0,92 0 2 6 12
K [/] 26 26 26 26 26 26
EW [/] 70 69 69 70 73 79

Représentation de l’influence de l’étanchéité à l’air sur les valeurs PEB [A. de France, 2018].

La première chose que nous remarquons dans ce tableau est que l’étanchéité à l’air n’influence pas la valeur de K. K dépend uniquement de la compacité du bâtiment et de l’isolation de chaque paroi. Il est donc indépendant de l’étanchéité à l’air.
Le graphique suivant a été dessiné en faisant varier le v50 de 0 m³/(h.m²) (valeur minimum théorique, mais inatteignable) à 12 m³/(h.m²) (valeur imposée par défaut par le programme). Ensuite, ce graphique a été divisé en trois parties :

  1. En vert : niveau d’étanchéité obtenu en faisant une véritable expertise (0 < v50 < 2)
  2. En orange : niveau d’étanchéité obtenu en faisant une conception judicieuse et une mise en œuvre soignée (2 < v50 < 6)
  3. En rouge : niveau d’étanchéité obtenu en n’appliquant pas d’attention particulière à l’étanchéité à l’air (v50 > 6)

Évolution d’EW en fonction de l’étanchéité à l’air [A. de France, 2018].

On remarque que ce graphe a une forme « d’escalier ». Cela est dû au fait que le logiciel PEB arrondit toujours les valeurs à l’unité supérieure (exemple : 71,05 -> 72) afin de se placer du côté de la sécurité.

Dans le graphique suivant, des valeurs dites « PEB » qui sont les valeurs données par le logiciel et des valeurs dites « brutes » qui sont les valeurs non arrondies calculées à partir des formules trouvées dans les normes.

Évolution d’EW en fonction de l’étanchéité à l’air [A. de France, 2018].

Comme on le voit l’impact de l’étanchéité à l’air sur EW est linéaire. Il y a juste un petit ressaut qui apparaît lorsqu’on passe de v50= 8,05 à 8,06 m³/(h.m²). Cette valeur ne correspondant à aucune limite théorique, la consommation d’EP des différents postes a été analysée. On remarque une variation plus importante que précédemment pour la consommation d’EP pour le chauffage. Une demande d’EP pour le chauffage apparaît en juin alors qu’elle était toujours nulle pour des valeurs v50 ≤ 8.05 m³/m².

Si on retire cette demande en juin, le petit saut disparaît et on retrouve la droite initiale.

Dans la réglementation PEB, le calcul de la consommation de chaud prévoit que si le rapport gain-déperdition de chaud pendant un mois se trouve entre 0 et 2,5 une consommation est prise en compte. Si ce rapport est hors de ces limites, on considère la consommation de chaleur nulle.

Dans le cas de la crèche, en passant d’une étanchéité à l’air de 8,05 à 8,06 m³/(h.m²), le facteur gain-déperdition prend au mois de juin une valeur située entre 0 et 2,5 engendrant une consommation d’EP pour le chauffage.

Conclusion

L’étanchéité à l’air influence fortement la valeur d’EW (jusqu’à 10 points). De plus, comme l’évolution est linéaire, l’impact sera toujours le même, peu importe la performance existante. Descendre sous 2 m³/(h.m²), influence peu EW (maximum -1 point). Or, pour descendre sous cette valeur, une véritable expertise est nécessaire tant au niveau de la conception que de l’exécution. Un optimum économique doit être estimé.

Impact du choix de la production de chaleur sur les performances

La crèche « Fort Lapin » est équipée d’une chaudière à gaz à condensation de 40 kW.

Si pour comparer les différents types de générateurs, les valeurs par défaut pour le rendement sont appliquées, on obtient pour la crèche les valeurs reprises au tableau ci-dessous.

Type de générateur EP chaud [MJ] EW [/]
Chaudière à eau chaude à condensation 101456,89 74
Chaudière à eau chaude non à condensation 101456,89 74
Générateur d’air chaud 101456,89 74
Fourniture de chaleur externe 148524,52 83
Chauffage électrique par résistance 183761,2 89
Autre générateur 101456,89 74

Influence du type de générateur sur les valeurs PEB de la crèche Fort Lapin [A. de France, 2018].

Il n’y a aucune différence pour les valeurs d’EW pour les 4 types de générateurs suivants : la chaudière à eau chaude à condensation, la chaudière à eau chaude non à condensation, le générateur d’air chaud et l’autre générateur. Il aurait semblé évident qu’une chaudière à condensation engendre moins de point EW qu’une chaudière non à condensation par exemple.

Ces rendements sont identiques parce que les valeurs par défaut du rendement ont été utilisées pour le calcul. La PEB se place en effet du côté de la sécurité pour les valeurs par défaut. En indiquant un même rendement pour une chaudière à eau chaude à condensation qu’une chaudière à eau chaude non à condensation, la PEB prévoit que la température de retour pourrait être trop élevée pour que la condensation se produise dans la chaudière à condensation.

Voici un tableau reprenant les valeurs obtenues pour différents types de générateurs sans utiliser les valeurs par défaut, mais bien les valeurs certifiées par des fabricants :

Type de générateur Vecteur énergétique η [%] Température de retour [°C] EW [/]
Chaudière à eau chaude à condensation Gaz naturel 107,1 30 70
Chaudière à eau chaude à condensation Mazout 102 35 71
Chaudière à eau chaude non à condensation Gaz naturel 81,94 30 74
Générateur d’air chaud Gaz 92,5 / 72
Générateur d’air chaud Mazout 90,1 / 71
Fourniture de chaleur externe / 97 / 83
Chauffage électrique par résistance / 100 / 89

Exemple de type de générateurs [A. de France, 2018].

La puissance n’est pas prise en compte dans ce tableau parce que celle-ci n’influence pas le calcul PEB. Cette puissance n’est utile que lorsqu’il y a plusieurs types de générateurs. Le logiciel prendra par défaut le générateur le plus puissant comme générateur préférentiel.

Conclusion

Comme on pouvait s’y attendre, le choix du type de générateur « chauffage électrique par résistance » est fort défavorable à la valeur d’EW. Il engendre +19 points par rapport à la chaudière réellement utilisée dans la crèche. Les autres types de générateurs engendrent au maximum 4 points en plus. La chaudière à gaz à condensation a donc été judicieusement choisie.

Quel avantage procureraient des panneaux photovoltaïques

Avant d’analyser l’impact qu’aurait une installation de panneaux photovoltaïques sur les points PEB de la crèche, elle doit d’abord être pré-dimensionnée.
Les différentes parois de la crèche ont été étudiées pour déterminer où les panneaux photovoltaïques pourraient être placés sachant que l’inclinaison idéale est de 35° et que l’exposition idéale est au sud.
La toiture inclinée n’a pas été retenue à cause de sa pente de 18° exposée Nord.

Parmi les toitures plates, deux ont été retenues :

  • la toiture A, au-dessus du local du personnel (38 m² exploitables) ;
  • la toiture B, au-dessus de l’espace de rangement et de l’EANC (39 m² exploitables).

À partir de leurs surfaces, la puissance de production de ces panneaux peut être calculée. Sachant qu’on peut produire environ 0,125 kWc par m², on peut estimer que :

  • la toiture A produira 4,75 kWc ;
  • la toiture B produira 4,88 kWc.

Pour calculer la production électrique annuelle des panneaux, la formule suivante doit être utilisée :

[kWh] = [kWc] * 950 kWh * α

Où,

  • 950 kWh permet de considérer que 1 kWc produit 950 kWh quand le panneau est exposé plein sud à 35°
  • α est un coefficient correcteur prenant en compte l’orientation et l’inclinaison des panneaux photovoltaïques.
Inclinaison [°]
Orientation 0 15 25 35 50 70 90
Est 88 % 87 % 85 % 83 % 77 % 65 % 50 %
Sud-est 88 % 93 % 95 % 95 % 81 % 81 % 64 %
Sud 88 % 96 % 99 % 100 % 87 % 87 % 68 %
Sud-Ouest 88 % 93 % 95 % 95 % 81 % 81 % 64 %
Ouest 88 % 87 % 85 % 82 % 65 % 65 % 50 %

Coefficients correcteurs d’orientation et d’inclinaison des panneaux photovoltaïques
[https://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=16688]

  • La toiture A produirait donc théoriquement 4,75 * 950 * 0,95 = 4 286 kWh
  • La toiture B produirait donc théoriquement 4,88 * 950 * 0,95 = 4 404 kWh
  • Et le bâtiment produirait 8 690 kWh.

Cependant, selon le logiciel PEB, ces panneaux produiront en réalité 6560 kWh à cause du facteur d’ombrage.

Quatre types d’ombrages sont à considérer. Ils valent :

Toiture A Toiture B
Angle d’obstruction 0° 0°
Angle vertical de la saillie horizontale 11° 24°
Angle de saillie à droite 0° 0°
Angle de saillie à gauche 15° 32°

L’ombrage joue un rôle très important sur la production d’une cellule photovoltaïque et donc sur la production d’un panneau entier.
Pour les panneaux photovoltaïques, trois hypothèses ont été prises :

  • Les panneaux sont mono/polycristallins.
  • Les panneaux ne sont pas intégrés à la paroi du bâtiment.
  • On installe un onduleur avec isolation galvanique.
Sans panneau photovoltaïque Avec panneaux photovoltaïques
K [/] 26 26
EW [/] 70 59

Influence des panneaux photovoltaïques sur les valeurs PEB de la crèche Fort Lapin [A. de France, 2018].

Si aucun ombrage n’était présent on gagnerait encore 3 points d’EW.
En 2017, le prix d’une installation de panneaux photovoltaïques tout compris variait entre 1 100 et 1 500 € par kWc. Cela signifie que cette installation coûterait entre 10 593 € et 14 445 €.
On peut donc estimer que chaque point PEB gagné grâce à ces panneaux coûtent entre 963 et 1 313,18 €.
En plus de gagner ces points PEB, on estime un gain de 1 901,38 €/an sur la facture d’électricité.

Conclusion

Les panneaux photovoltaïques sont un bon moyen pour gagner facilement des points PEB sur le paramètre EW. Il s’agit aussi d’une énergie produite à partir de sources renouvelables très facile à mettre en place pour couvrir le peu d’énergie requise comme demandé par la directive NZEB.

Dans un futur proche, le logiciel PEB devra se mettre à jour en proposant plus de paramètres à encoder car on va connaitre une diversification du type de cellules et d’accessoires tels que les diodes by-pass.

Author Image Posted By : Sylvie 19 Juin, 2018

Des halls de tri de BPOST « très basse énergie »

  • Création juillet 2016.
  • Auteur : Claude Crabbé
  • Mise en page et Antidote OK, Sylvie

Des halls de tri de BPOST "très basse énergie"

BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

Introduction

Bpost a voulu innover en matière de bâtiments peu énergivores. Dans leurs nouveaux centres logistique, la recherche d’économie d’énergie s’est faite dans tous les détails. La société a lancé un nouveau concept de plateforme logistique où l’organisation est optimisée. Par exemple, un cloisonnement des halls est possible si tout l’espace n’est pas nécessaire au fonctionnement.

Les principaux critères liés à la réalisation de ces bâtiments était une consommation maximale en énergie primaire (le gaz, le chauffage, l’électricité pour l’éclairage, pour les ordinateurs, …) de 100 kWh/m² par an et enfin une prise en compte des bilans d’énergie grise.

Les deux bâtiments de bpost que nous allons présenter ici ont la même fonction. Ils sont situés à Thimister-Clermont (Verviers) et à Houdeng-Goegnies (La Louvière). Ce sont des Mail Centers où s’effectue la finalisation de la préparation des tournées de distribution du courrier et duquel s’organisera cette distribution. Ils regroupent les activités d’anciens centres de distribution plus petits.

 Mail Center de Houdeng-Goegnies
BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

Mail Center de Thimister-Clermont
BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

Des bâtiments compacts

Les bâtiments réalisés ont une forme simple et compacte. Ils sont presque carrés, ont une toiture plate et leur volume est important.

Un bâtiment compact.

Cela présente les avantages suivants :
L’efficacité thermique

  • La déperdition thermique est directement proportionnelle à l’aire de l’enveloppe du volume protégé. Lorsque le bâtiment a une compacité élevée, cette aire est en effet réduite par rapport au volume utilisable.
  • Le nombre et la longueur des nœuds constructifs sont réduits ce qui diminue les risques de ponts thermiques parfois difficiles à maîtriser.

Le coût

  • Moins de matériaux mis en œuvre pour réaliser des parois de l’enveloppe moins grandes.

La sobriété

  • Celle-ci est encore accentuée par la réalisation de détails soignés faisant disparaitre toute complication formelle.

Gestion de l’espace

Il est inutile d’occuper et de chauffer tout le bâtiment lorsque le volume d’activité diminue. Ne chauffer que les parties occupées permet d’économiser de l’énergie.

Une cloison de division est prévue. Elle offre un haut niveau d’isolation thermique (12 cm d’épaisseur) si une partie des halls divisés ne devait plus être traitée thermiquement. Cette cloison est conçue pour être facilement démontée et remontée au droit d’un autre axe du bâtiment. Du point de vue des techniques spéciales, la division de la halle en 2 zones demande d’ajouter, sur les gaines de ventilation, des clapets motorisés permettant d’isoler les zones non occupées ou à ne pas ventiler. L’ajout d’une régulation d’adaptation débit – pression sur les ventilateurs est prévu. La position des aérothermes est étudiée de manière à garantir la possibilité de chauffe différente des zones même après cloisonnement, et ce sans déplacement des appareils. L’alimentation des rails d’éclairage, parallèles, devra permettre la mise en place de la cloison sans modification des rails suspendus.

Des parois extérieures bien isolées

Façades du hall

Les façades du hall sont constituées de panneaux sandwich en acier remplis de mousse de polyisocyanurate (PIR). Cette technique est particulièrement adaptée aux bâtiments industriels, car elle permet, grâce à la préfabrication, un montage rapide sur chantier et une production réduite de déchets.

Façades du hall de manutention.

L’isolant a une épaisseur de 12 cm, ce qui confère à la paroi un coefficient de transmission thermique U égal à 0.167 W/m²K avec un isolant non certifié dont le coefficient de conductivité thermique λD est certifié égal à 0.021 W/mK.

La valeur de U sera encore plus basse  (et donc meilleure) si l’isolant possède un agrément technique valable certifiant un λD (lambda déclaré) plus bas.

La mousse PIR est particulièrement isolante et c’est, à l’heure actuelle, un des isolants ayant le coefficient de conductivité thermique λ le plus bas.

Calculs

 Pour calculer le coefficient de transmission thermique U d’une paroi suivant la méthode PEB.

Le niveau d’isolation atteint par cette façade est remarquable pour un hall industriel.

Façades des bureaux

Les façades des bureaux  sont constituées des mêmes panneaux sandwich placés devant un voile en béton armé. L’espace libre entre les deux éléments est rempli de 12 cm de laine de roche (MW).

Façades des bureaux.

Le coefficient de transmission thermique U de cette façade est égal à 0.115 W/m²K avec des isolants certifiés dont les coefficients de conductivité thermique λ sont : λ PIR = 0.021 W/mK et λ MW = 0.045 W/mK. En 2016, la réglementation PEB exige pour les façades un U ne dépassant pas 0.24 W/m²K.

Calculs

 Pour calculer le coefficient de transmission thermique U d’une paroi suivant la méthode PEB.

La toiture plate

Il s’agit d’une toiture chaude posée sur un support léger en tôle profilée d’acier. L’isolation thermique est assurée par une couche de polystyrène expansé (EPS 100 SE) de 20 cm d’épaisseur.

Cet isolant a un coefficient de conductivité thermique utile déclaré λui égal à 0.036 W/mK. Si on ne tient pas compte de l’isolant acoustique placé dans les ondes, le coefficient de transmission thermique U de la toiture est égal à 0.18 W/m²K. En 2016, la réglementation PEB exige pour les toitures comme pour les façades un U ne dépassant pas 0.24 W/m²K.

Calculs

 Pour calculer le coefficient de transmission thermique U d’une paroi suivant la méthode PEB.

 

La toiture plate.

(BPOST Houdeng-Goegnies).

Des nœuds constructifs bien étudiés

Le premier principe à respecter si on veut éviter les ponts thermiques au droit des nœuds constructifs est d’y assurer la continuité de la couche isolante. Dans les bâtiments de BPOST une attention toute particulière a été réservée à ce critère.

Voici quelques détails techniques qui montrent des solutions faciles à mettre en œuvre même dans des systèmes de constructions industrielles qui font appel principalement à la préfabrication.

Le raccord entre la façade des bureaux et la toiture plate

Le petit mur d’acrotère en béton armé a été complètement emballé par une couche d’isolant. Même si, à cet endroit, l’isolant est moins épais qu’en façade ou en toiture, le pont thermique est quasiment annulé. Le nœud constructif répond largement aux règles de base exigées pour qu’il soit conforme suivant les prescriptions de la PEB. Les systèmes constructifs entre Thimister-Clermont et Houdeng-Goegnies sont semblables mais les nœuds constructifs ont été simplifiés à Houdeng-Goegnies.

Raccord entre la façade des bureaux et la toiture plate.
(BPOST Thimister-Clermont).

Le raccord entre la façade du hall et la dalle de sol

Le panneau sandwich isolant de la façade est relié à l’isolant du sol par un isolant ayant la même épaisseur que le panneau. L’isolant est bien protégé, tant du côté intérieur que du côté extérieur, par des plinthes préfabriquées en béton. Entre le panneau et l’isolant posé en pied de mur, l’espace vide est comblé par un isolant expansible. La continuité de la couche isolante est ainsi respectée. Ici aussi, le nœud constructif est thermiquement très performant.

Raccord entre la façade et le plancher du hall.
(BPOST Thimister-Clermont).

Les raccords entre les menuiseries extérieures et les façades

Ces raccords ont été réalisés de manière à réduire le plus possible les ponts thermiques. L’isolant de la façade est directement en contact avec le cadre de fixation des châssis en bois.

Le cas des seuils de porte est plus difficile à résoudre. Les isolants sont des matériaux fragiles qui ne résistent pas au passage des personnes et des véhicules ou accessoires de manutention. Le pont thermique a cependant été en partie résolu par la réalisation d’une rupture thermique épaisse de 4 cm et remplie de mousse de polyuréthane. La face supérieure de la mousse est protégée par une latte de chêne fixée au béton. Cette latte qui affleure avec le sol intérieur permet la circulation et en outre, grâce à sa planéité, permet, moyennant la pose de certains accessoires dans la menuiserie, une bonne étanchéité à l’air lorsque la porte est fermée.

Linteau, appui de fenêtre et seuil de porte.
(BPOST Thimister-Clermont).

Une bonne étanchéité à l’air

Lorsque les parois d’un bâtiment sont thermiquement performantes et lorsque les ponts thermiques sont réduits au minimum, les pertes de chaleur par infiltration/exfiltration deviennent proportionnellement importantes. Il convient alors de soigner l’étanchéité à l’air de l’enveloppe.

L’étanchéité à l’air des halls industriels de BPOST est performante. Les tests finaux ont montré que celle-ci est égale à :

  • 0.75 vol/h sous 50 Pa à Houdeng-Goegnies;
  • 0.56 vol/h sous 50 Pa à Thimister-Clermont.

Le système de bardage isolé assure une étanchéité à l’air globale de l’enveloppe à 2 m³/h.m².

Chaque nœud constructif a été réalisé en veillant à limiter les fuites d’air.

D’autre part, les accès au bâtiment ont été équipés de sas diminuant fortement les pertes d’énergie par courant d’air. Les sas sont thermiquement isolés. Ils sont munis de 3 portes successives, 2 vers l’extérieur et 1 vers l’intérieur du hall. La porte sectionnelle extérieure assure la fermeture du bâtiment lorsque le sas n’est pas en service. Lorsque le sas est en service, c’est le volet rapide qui assure la fermeture lorsqu’il n’y a pas de passage. Voir schéma ci-dessous.

Coupe dans un sas.
(BPOST Thimister-Clermont).

Les portes sectionnelles des quais camion sont doublées par un sas isothermique qui se raccorde à la remorque du camion lors d’un déchargement. Donc, même lorsque ces portes sont en service, les infiltrations et exfiltrations d’air sont réduites

Des risques de surchauffe réduits

Les moyens utilisés pour diminuer les risques de surchauffe sont : le placement de protections solaires extérieures et la ventilation intensive.

Suivant les cas, les protections solaires seront de deux types.

A Thimister-Clermont, pour les bureaux orientés au Sud-Ouest, des protections solaires textiles automatiques ont été installées.

Thimister-Clermont – Protections solaires automatiques.
BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

A Houdeng-Goegnies, les auvents couvrant les quais de chargements offrent une protection fixe contre l’ensoleillement d’été.

Houdeng-Goegnies – Auvent.
BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

Dans les deux bâtiments, une série de coupoles ouvrantes permettent la ventilation intensive.

Thimister-Clermont – Ventilation intensive.
BPOST – Arch. BEAI.

Le choix des systèmes constructifs et matériaux

Le choix des matériaux de construction a été dirigé par le souci d’avoir un impact réduit sur l’environnement tout en gardant à l’esprit que les systèmes constructifs industriels restent le meilleur choix économique. La réalisation d’un hall à ossature bois et isolation d’origine naturelle est techniquement envisageable. Néanmoins, cette solution a été écartée dans la mesure où elle représente un surcoût important. Sur base de données issues de la Région Wallonne, des fiches Éco-Bau suisses et d’Agréments Techniques Nationaux, une analyse comparée des matériaux a défini le meilleur rapport entre énergie grise, conductivité thermique λ et coût.

Les bâtiments sont modulés sur des travées de 6 mètres. Le système structurel est régulier et simple. Il permet une bonne préfabrication et une bonne organisation de chantier. L’exécution est simple, rapide et économique.

La structure est de type « colonnes en béton et poutres en bois lamellé-collé ». Les colles résistent très bien aux chocs et au feu. Les poutres peuvent être dimensionnées pour présenter une stabilité au feu suffisante.

Houdeng-Goegnies – Structure : poutres en bois, colonnes en béton.
BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

La lumière naturelle

Celle-ci baigne l’ensemble du hall industriel BPOST de Houdeng-Goegnies par 48 ouvertures zénithales de 1.80 m sur 1.80 m.
La lumière est tamisée, homogène et sans contre-jour ni éblouissement.
Les parois intérieures sont de teintes claires. Le lieu de travail est lumineux calme et serein.
Cette conception de l’enveloppe permet d’importantes économies d’électricité. Dans les halls, un éclairage de base de 150 lux est obligatoire. Les 48 coupoles assurent 66 % de ces besoins de base.

En ce qui concerne l’éclairage artificiel, des luminaires sur des rails précâblés suspendus à une hauteur de 4 m permettent d’obtenir les niveaux d’éclairement de 150 (base) et 600 (travail) lux et répartis en zones pour tout le hall. L’avantage des rails précâblés 9 fils utilisés dans ce projet est que l’on peut déplacer les luminaires comme on le désire et sur les différents allumages sans interrompre leur fonctionnement. Tous ces luminaires sont gérés en différents allumages par zones avec une gestion via détection de luminosité ambiante et détection de présence. La gestion par cellules de luminosité, par zone et par allumage, permet d’éteindre dès que possible un maximum de luminaires en fonction de la luminosité du jour dans le hall. Ce dispositif assure une baisse des consommations électriques, notamment grâce à l’apport en lumière naturelle des coupoles. Les différents locaux de la partie administrative sont gérés par sondes de luminosité, détecteurs de mouvement et de présence. Dans les locaux jouissant de lumière naturelle, la commande est régie par bouton poussoir et détecteur d’absence.
Le type de luminaires et de lampes a été choisi selon ses qualités photométriques, son haut indice de rendu des couleurs (IRC > 0,80), son rapport qualité/prix et la garantie proposée sur les produits. Depuis le tableau divisionnaire, il est possible de déroger manuellement aux modes de gestion automatique.

Houdeng-Goegnies – Lumière naturelle et régulation de l’éclairage artificiel.
BPOST – Arch. BEAI –  photo Serge BRISON.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée grâce aux informations fournies par le bureau d’architecture ayant conçu les bâtiments.

B.E.A.I. Bureau d’Engeneering et d’Architecture Industrielle.
Notre interlocuteur fut Monsieur Bernard Van Damme, architecte.
Téléphone : 02 675 12 00 – Email : beai@beai.be – Site internet : www.beai.be

Author Image Posted By : Sylvie 7 Juin, 2018

NetZEB : bâtiments Nets Zéro-Énergie

NetZEB : bâtiments Nets Zéro-Énergie

Définition

Dans la famille des concepts de performance énergétique des bâtiments, je demande le bâtiment net zéro-énergie !

Mais qu’est-ce qu’un bâtiment « net » zéro-énergie ?

Les NetZEB pour « Net Zero Energy Building » (bâtiments nets zéro-énergie, ou « à bilan énergétiques neutres ») ne sont en rien des bâtiments autonomes ou zéro émissions. Ils peuvent être définis comme produisant autant d’énergie qu’ils n’en consomment sur une période de temps. Le bâtiment peut consommer ou non sa production et consommer de l’énergie issue du réseau ou de sa propre production (autoconsommation). Le bilan s’établi sur une année, généralement en énergie primaire et la production énergétique doit être renouvelable, cela va de soi !

Ainsi, un tel bâtiment compense sa consommation du mix énergétique sur le réseau en déversant sa surproduction renouvelable sur le réseau lorsqu’il ne peut l’autoconsommer. Généralement, le bâtiment sera consommateur en hiver et producteur en été. L’indication « Net » devant « zéro-énergie » vise à souligner cet équilibre entre consommation et production, calculé en énergie primaire. [Schéma central, ci-dessous]

Pour les bâtiments qui produisent plus d’énergie qu’ils n’en consomment, on parlera de bâtiments à énergie positive [schéma de droite, ci-dessous] tandis que ceux dont la production est proche de leur consommation mais inférieure on utilisera le terme « Quasi zéro énergie ». [Schéma de gauche, ci-dessous]

Schémas sur les 3 définitions bâtiments basse énergie.

* Si en 2018 aucune exigence wallonne ne porte sur le net zéro-énergie ou l’énergie positive, la directive Européenne 2010/31/UE impose néanmoins aux États-membres que toutes les nouvelles constructions soient quasi zéro-énergie dès le 1er Janvier 2021. Chaque État-membre est néanmoins libre de définir jusqu’à quelle écart entre production et consommation d’énergie primaire il considère qu’un bâtiment est « quasi » zéro-énergie. Pour la Wallonie, toutes les valeurs réglementaires en fonction du type de bâtiment se trouvent sur notre page dédiée.

On comprend donc bien que ce qui est mesuré au niveau de la balance énergétique ne concerne que les échanges entre le réseau et le bâtiment, ce qui se passe à l’intérieur du bâtiment n’est pas repris dans le bilan. L’éventuelle part d’autoconsommation n’est ainsi pas directement comptabilisée ou valorisée dans cet équilibre. L’égalité se fait par comparaison entre consommation sur le réseau et surproduction remise sur le réseau.

Schéma sur l'équilibre entre consommation sur le réseau en hiver et surproduction injectée sur le réseau en été.
Équilibre entre la consommation sur le réseau en hiver et la surproduction injectée sur le réseau en été.

Ces bâtiments sont toujours dépendants du réseau car ils y puisent une partie de leur consommation. Il ne faudra donc pas les confondre avec les bâtiments strictement zéro-énergie ou les bâtiments autonomes qui eux parviennent à annuler leurs besoins en énergie ou à les combler instantanément et en totalité par des énergies renouvelables produites sur place ou au sein d’un district énergétique local sans connexion au réseau.

Histoire du concept

Les premières mentions de bâtiments zéro-énergie sont la MIT Solar House I en 1933 (BUTTI,K.et PERLIN,J.(1980). A Golden Thread, 2500 Years of Solar Architecture and Technology. Van Nostrand Reinhold Company) et la Bliss House en 1955 (BLISS, R. (1955). Design and performance of the nations’ only fully solarheated house. Air conditioning, Heating and Ventilating, 52:92–97). D’autres exemples historiques sont la Vagn Korsgaard Zero energy Home au Danemark (ESBENSEN,T.et KORSGAARD,V.(1977). Dimensioning of the Solar Heating System in the Zero Energy House in Denmark. Solar Energy, 19:195– 199) et la Saskatchewan Conservation House (BESANT, R., DUMONT, R. et SCHOENAU, G. (1979). The Saskatchewan conservation house: some preliminary performance results. Energy and Buildings, 2:163–174). Les premières se concentraient sur la maximisation de la production et valorisation de l’énergie solaire, les secondes y ajoutaient des mesures de réduction de la demande de chaleur.

Ces deux axes de développement vont se croiser à la fin du XXème siècle, et résulter en une modification importante de la conception et du bilan énergétique des bâtiments. Par exemple, le double puis triple vitrage devient la norme permettant d’augmenter la surface vitrée des logements et bureaux sans augmenter les besoins de chaleur, mais en élevant les besoins de refroidissement. Ceci entraîne des réflexions plus poussées sur les protections solaires, le développement de doubles façades, etc. C’est à ce moment que se produit un glissement dans la manière de concevoir. Alors qu’avant une installation de conditionnement d’air était pensées isolément pour compenser les charges thermiques du bâtiment, quelle qu’elles soient, les concepteurs l’ont progressivement intégrée au concept global du bâtiment pour en faire un ensemble de plus en plus cohérent et complémentaire regroupant: l’enveloppe, les HVACs, les techniques passives, l’éclairage et les appareils électriques.

L’intégration croissante des systèmes et l’apparition au début des années 90’ de l’idée que techniquement le soleil pourrait suffire à répondre aux besoins d’énergie du bâtiment, contribue à renforcer la réflexion sur le zéro-énergie. Le soleil, bien utilisé et combiné à des techniques passives de régulation de l’ambiance pourrait permettre de tendre vers le zéro-énergie. Or, à ce moment, les panneaux solaires photovoltaïques et thermiques se développent, gagnent en efficacité mais surtout deviennent de plus en plus abordables.

La conjoncture d’alors entre :

  • le développement de technologies de production d’énergie renouvelable abordables,
  • l’urgence environnementale,
  • la nécessité de réduire le pic énergétique de la demande,
  • la mise en place de politiques économiques de soutien au développement des énergies renouvelables
  • la maturité des systèmes HVAC
  • l’émergence d’une vision complète et intégré des systèmes.

fut propice au développement de la perspective du Net Zéro-Énergie.

Assez vite est apparue une réflexion sur le caractère autonome (par rapport au réseau) ou non des bâtiments « zéro-énergie ». Vale et al. ont montré que l’idée d’une liaison au réseau permet une meilleure performance sur le cycle de vie du bâtiment que la recherche d’autonomie par le stockage in situ de l’énergie produite, et offre également plus de flexibilité (VALE, B. et VALE, R. (2002). The New Autonomous House : Design and Planning for Sustainability. Thames & Hudson Ltd). L’idée que le bâtiment « zéro-énergie » fasse partie intégrante d’un réseau énergétique s’est dès lors généralisée.

L’idée d’un habitat entièrement autonome est aujourd’hui limitée aux cas où les réseaux d’énergie font défaut. Pour éviter toute confusion le terme bâtiment net zéro-énergie (Net-ZEB) est utilisé de préférence à bâtiment « zéro-énergie » pour désigner un bâtiment dont la balance consommation/production est nulle sur une période déterminée (généralement un an). Il s’agit d’avoir pu produire et réinjecter sur un réseau autant d’énergie que l’on en aura consommé. Cette approche a le mérite de replacer le bâtiment dans un contexte régional (via le réseau d’électricité) ou local (via des réseaux de chaleur urbains). Notons que certains projets se présentent déjà comme plus ambitieux et prétendent à un statut de bâtiment à énergie positive.

Peut-on être NetZEB et gros consommateur d’énergie fossile?

Oui, en théorie, sans aucun doute. D’après la définition littérale d’un bâtiment NetZEB, il « suffit » simplement d’être aussi grand producteur que consommateur pour être NetZEB. Ainsi, un bâtiment mauvais du point de vue de sa performance thermique, pourrait compenser, par exemple, avec une grande surface de panneaux photovoltaïques. Celui-ci pourra alors être considéré comme « Net Zéro-Énergie ».

Définition littérale d’un bâtiment NetZEB.

Si mathématiquement la balance est vérifiée, d’un point de vue qualitatif peut on affirmer que l’énergie consommée en hiver à partir du mix énergétique (majoritairement fossile) équivaut à la même quantité d’énergie produite en été de manière renouvelable ?

En effet, l’énergie consommée en hiver est issue du mix énergétique wallon (et donc majoritairement non-renouvelable à ce jour) et utilisée à un moment où l’énergie est plus rare tandis que celle produite en été par les panneaux PV est injectée sur le réseau à un moment où la consommation est moindre et l’énergie se fait beaucoup moins rare…

Schéma sur le concept Net zéro-énergie, précisions (1).

Si les cas 1 et 2 sont tous deux Net zéro-énergie (la balance entre la surproduction injectée sur le réseau en été et la consommation sur le réseau en hiver étant à l’équilibre), on remarque que même avec ce « label », un bâtiment peut rester un grand consommateur d’énergie issue du mix énergétique du réseau (cas 2). Les deux balances sont mathématiquement à équilibre mais il reste qu’au bout de l’année une plus grande quantité d’énergies fossiles auront été consommées pour ce bâtiment (cas 2)… La meilleure énergie est et sera toujours celle qu’on ne consomme pas.

Schéma sur le concept Net zéro-énergie, précisions (2).

Pour avoir un sens environnemental et énergétique, les concepteurs de bâtiments Net zéro énergie ne peuvent se limiter au seul critère de l’équilibre production/consommation mais devraient aussi, dès le début de la conception, veiller à réduire les besoins au minimum rationnel et pertinent avant d’entreprendre les démarches de compensation des besoins résiduels via la production d’énergie renouvelable in situ. En ce sens, les exigences thermiques régionales sur la performance des parois (Umax) et le niveau d’isolation thermique global (niveau K) constituent des garde-fous.

Pour aller plus loin, n’hésitez pas à visiter nos pages sur les stratégies de conception !

Pour augmenter la part d’autoconsommation et réduire l’empreinte environnementale du bâtiment, le concepteur de l’installation peut également penser à déployer des moyens locaux de stockage d’énergie journalier et/ou saisonnier de manière à ne plus considérer le réseau comme un moyen de stockage infini.

Une approche intégrée

Ce nouveau statut du bâtiment alternativement ou simultanément producteur, consommateur, auto-consommateur induit des bouleversements sur la manière dont ceux-ci sont intégrés au réseau électrique et dans la manière de concevoir les bâtiments. En voici une synthèse traduite du livre « Modeling, Design and optimization of Net-Zero Energy Buildings » :

Systèmes, Conception et Utilisation Bâtiment “classique” Bâtiment NetZEB
Enveloppe Passive, pas conçue comme faisant partie du système énergétique global Optimisé pour la conception passive et l’intégration des systèmes solaires actifs
HVAC Systèmes surdimensionnés (côté sécurité) Petits systèmes contrôlés et optimisés, intégrés avec les systèmes solaires, les systèmes combinant chaleur et électricité, stockage journalier et/ou saisonnier, systèmes partagés dans le quartier.
Systèmes solaires (PV, ST), renouvelable, cogénération Pas d’intégration systématique, on y pense après, on rajoute après. Pleinement intégré : lumière naturelle / solaire thermique / Photovoltaïque / solaire hybride / géothermique / biomasse / connexion à un microSmartGrid
Système d’automatisation Systèmes utilisés de manière peu efficace. Contrôle prédictif, Optimisation du confort et des performances énergétiques.
Conception et utilisation Considéré séparément Intégré et optimisé pour satisfaire le confort.

Notons qu’une clarification est à faire entre les notions zéro-énergie et zéro-carbone. Le « Common Language for sustainable construction » propose les définitions reproduites ci-dessous (ref. : Europeann Concrete Platform Et Architects Council of Europe).

On constate une différence d’approche entre des objectifs exprimés en termes de carbone ou d’énergie primaire, selon que l’on se concentre sur l’impact climatique ou sur une approche plus large de l’enjeu énergétique. L’expression d’objectifs selon l’un ou l’autre terme est importante dans la mesure où les solutions techniques privilégiées sont différentes. Des solutions de chauffage à la biomasse ou à l’électricité nucléaire seront par exemple favorisées dans un bilan carbone, mais plus nuancées dans une approche énergétique.

« Net zero carbon buildings : Buildings that, by virtue of the materials of which they are constructed and by virtue of the fact that they produce surplus energy from renewable sources, ensure that, over their Design Life, they compensate for all carbon emissions associated with the construction and use of the building. »

« Net zero Energy : The goal of Net Zero Energy is to become a community that produces its own energy. Net Zero Energy Buildings […], for instance, rely on efficiency to reduce energy needs and allow the balance to be supplied with renewables. NetZEBs produce as much energy on-site as they use annually. The reason NetZEBs are referred to as ’net zero’ is that they are still connected to the grid. Sometimes they produce more power than they are consuming and feeding power to the grid and running the meter back. Sometimes they consume more power than they are producing and pulling power from the grid. But for a NetZEB, the energy given to the grid is equal to the amount of energy pulled from the grid on an annual basis. It is important to note that net zero refers to energy use, and does not necessarily mean zero carbon emissions from energy use. »

Un concept qui reste vague

Les définitions usuelles du NetZEB restent très vagues et reflètent le manque de consensus international sur la notion de bâtiment net zéro-énergie. La Tâche 40 « Vers des bâtiments nets zéro-énergie » de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE) a dès lors compilé les différentes définitions existantes et leurs critiques (AGENCE INTERNATIONALE DE L’ENERGIE (2010). Task 40). Il ressort de cette tâche quatre éléments vis à vis desquels toute définition des NetZEB devrait se positionner.

Premièrement, le niveau de spécification des paramètres de calcul doit être clarifié. L’évaluation doit-elle préciser quelles conditions climatiques intérieures réaliser? Les charges internes doivent-elles être forfaitaires ? Pour quel climat doit se faire l’évaluation ?

Deuxièmement, le type d’indicateur et les règles de pondération entre formes d’énergie doivent être explicités. Si l’énergie primaire est l’indicateur généralement préféré, elle soulève des questions telles que l’évolution dans le temps des coefficients de conversion et la façon de prendre en compte les énergies renouvelables. Les émissions de CO2 sont une alternative possible, tout comme un bilan financier ou exergétique. Ces deux dernières possibilités sont cependant respectivement instables dans le temps et peu compréhensibles par le public.

Troisièmement, le caractère « net » de la définition doit être précisé : quels éléments sont pris en compte et sur quelle période de temps ? L’échelle de temps privilégiée est souvent l’année, ou un multiple d’années. Des divisions temporelles plus fines sont peu populaires car plus contraignantes, mais une tendance existe pour réaliser des évaluations sur le cycle de vie complet du bâtiment. La question du type d’énergie considéré est également importante. A côté de l’énergie nécessaire au maintien du climat intérieur, il n’y a pas de consensus sur la prise en compte des énergies liées à l’occupant ou aux matériaux. Ces deux aspects souffrent d’un manque de précision des méthodes d’évaluation et d’une divergence de point de vue selon l’utilité que l’on donne à la définition des NetZEB. D’un point de vue gestion des réseaux énergétiques, l’énergie grise n’a pas d’impact, mais l’occupation bien. Du point de vue du constructeur, l’inverse est plus vrai. L’importance relative de ces deux aspects est croissante au vu de la diminution des consommations d’énergie liées au maintien des ambiances intérieures. Il existe également un débat relatif aux énergies renouvelables, entre la limitation aux énergies produites sur site et l’intégration de crédits carbones.

Quatrièmement, les conséquences en termes de réseau énergétique sont à considérer. Les approches NetZEB considèrent souvent le réseau comme une forme de stockage infini, ce qui n’est pas la réalité. Des évaluations plus fines sont nécessaires, notamment au niveau de l’utilisation effective de l’énergie délivrée au réseau et des écarts entre les puissances maximales demandées et délivrées, ce qui devrait générer des indicateurs spécifiques à intégrer dans la démarche NetZEB. Ceci doit se faire à la lumière des évolutions que connaîtront les réseaux énergétiques à l’avenir, avec la part croissante d’énergie renouvelable qu’ils devront intégrer.

Cinquièmement, les procédures de monitoring et d’accompagnement doivent être précisées et devraient faire partie intégrante de la définition des NetZEB, pour garantir que les performances visées en conception sont bien rencontrées en pratique.

Un concept pragmatique ?

Aux critiques et limitations présentées ci-dessus, nous pensons utile d’ajouter que la définition des bâtiments zéro-énergie doit avant tout être un outil pratique destiné à guider le concepteur dans ses choix. Il en découle que cette notion doit répondre à trois caractéristiques : (1) la rigueur scientifique indispensable, (2) l’expression d’un niveau d’ambition proportionnel à l’enjeu et (3) le pragmatisme, compris comme sa cohérence avec la pratique de terrain. Le concept NetZEB n’offre pas forcément une réponse optimale à cette triple exigence. Et ce pour deux raisons.

Premièrement, les critiques relevées plus haut ont mis en évidence qu’une limitation aux besoins de chauffage et de refroidissement n’était pas adéquate. Il y a aujourd’hui consensus pour considérer que la notion des NetZEB devrait intégrer les consommations d’énergie liées au maintien des ambiances thermiques, à l’éclairage et aux auxiliaires HVAC, comme le fait la réglementation Q-ZEN. L’intégration de l’énergie grise liée aux matériaux et composants mis en œuvre est souvent mentionnée comme un élément à intégrer. Pour mieux refléter la réalité, l’évaluation devrait également intégrer d’autres consommations telles que l’énergie consommée par le chantier et le processus de conception en tant que tel, ou encore l’impact du projet sur l’énergie dépensée en transports et infrastructures ou son influence éventuelle sur les comportements énergétiques des habitants.

Sans trancher sur la liste des paramètres à intégrer, force est de constater que nous sommes face à une tendance qui pousse à agréger en une seule évaluation une série d’impacts énergétiques différents. D’une part, l’agrégation des différentes consommations rend la valeur finale difficilement compréhensible. Il devient difficile de se représenter concrètement ce qu’elle représente et quel est le poids de chaque mesure de performance énergétique dans le résultat final. D’autre part,il est difficile d’obtenir une valeur réaliste avant d’atteindre un stade d’avancement poussé du projet, vu que des choix préliminaires doivent avoir été faits pour chaque élément intervenant dans le calcul. Or, ce sont souvent les premières étapes qui déterminent la performance énergétique, ainsi que la combinaison de la performance énergétique avec la performance économique. La tendance à l’exhaustivité du calcul énergétique pourrait donc à terme rendre l’évaluation netzéro-énergie inopérante comme guide de conception.

Deuxièmement, la recherche d’un niveau « zéro-énergie » reflète une approche sectorielle de l’impact énergétique des bâtiments. Cette ambition peut être acceptée en tant que projection à l’échelle du secteur d’un équilibre énergétique global de nos sociétés, mais rien n’indique que l’équilibre annuel entre production et consommation soit pertinent à l’échelle d’un projet d’architecture. Au contraire, le niveau net zéro-énergie génère une iniquité flagrante au niveau des projets individuels, notamment entre les sites bénéficiant d’un fort potentiel d’énergies renouvelables et les autres, ou entre les projets permettant une réduction drastique des besoins et ceux qui ne le peuvent du fait de contraintes propres et justifiées (pensons aux questions de patrimoine remarquable, de capacité d’investissement, etc.). Un niveau d’ambition unique ne peut pas être considéré a priori comme applicable partout. Certaines situations de projet nécessiteront de revoir les ambitions à la baisse face aux contraintes techniques, économiques ou patrimoniales, tandis que d’autres permettrons d’aller plus loin que l’équilibre énergétique.

Tous Nets zéro-énergie ?

Bien qu’incontournable aujourd’hui, la notion de bâtiment net zéro-énergie apparait assez éloignée de l’architecture, tant dans ses fondements que dans son ambition. Les critiques qui lui sont faites par la communauté scientifique portent principalement sur la rigueur physique de sa définition, tandis que nous lui voyons un manque de pragmatisme de par sa volonté (louable en soi) d’exhaustivité.

Face à ses limites, il pourrait être intéressant de rouvrir la question du caractère autonome du bâtiment. D’une part il force à contextualiser l’approche, d’autre part il implique des formes de conservation de l’énergie dans le bâtiment et donc la nécessité d’analyses de comportements dynamiques sur base saisonnière et journalière. L’objectif d’autonomie totale pose également différemment la question des formes d’énergie valorisables et nécessite de repenser la notion de confort thermique.

Cette piste n’est à ce jour pas un objectif rationnel à l’échelle collective, notamment d’un point de vue économique. Dès lors, visons le NetZEB, mais de façon critique.

logo plan air, climat, énergie.

En Wallonie, un cap important a été franchi le 19 juillet 2018 avec l’approbation du Plan Wallon Énergie Climat (lié au PNEC 2030 : Plan National Énergie Climat). Ce plan prévoit de définir ce que sera le zéro énergie wallon. Cette définition devrait être d’application à partir de 2025. Dans la suite logique du QZEN (Quasi Zéro ENergies), ces bâtiments porteront l’acronyme ZEN (Zéro ENergies).

 

Author Image Posted By : Sylvie 7 Juin, 2018

Bâtiment nearlyZEB ou « Quasi » zéro-énergie et son application en Wallonie (Le Q-ZEN)

Bâtiment nearlyZEB ou « Quasi » zéro-énergie et son application en Wallonie (Le Q-ZEN)
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1. Définition d’un bâtiment « quasi » zéro énergies d’après la directive Européenne

Un bâtiment « Quasi » zéro-énergie est « un bâtiment qui a des performances énergétiques très élevées […]. La quantité quasi nulle ou très basse d’énergie requise [pour le chauffage, le refroidissement, l’éclairage, l’eau chaude sanitaire et la ventilation] devrait être couverte dans une très large mesure par de l’énergie produite à partir de sources renouvelables, notamment l’énergie produite à partir de sources renouvelables sur place ou à proximité ». [Directive 2010/31/CE] Ces bâtiments peuvent également se retrouver au sens large sous les acronymes NZEB/NearlyZEB (nearly Zero Energy Building) ou Q-ZEN (Quasi Zéro Énergie) pour son application en réglementation régionale wallonne.

Chaque État-membre est tenu de fixer la définition des bâtiments dont la consommation d’énergie est quasi nulle, qui tient compte des conditions nationales, régionales ou locales.

Voir les exigences Q-ZEN 2019 (bâtiments publics uniquement) & 2021

2. A ne pas confondre !

Les Bâtiments Quasi zéro énergie sont à différencier des immeubles autonomes et des constructions Net Zéro Énergie : NetZEB (Net Zero Energy Buildings) ou Q-ZEN en Wallonie (Quasi Zéro ENergies). Contrairement à ces deux approches, dans le Quasi zéro-énergie, les besoins d’énergie primaire sur le réseau ne sont ni nuls (Bâtiment autonome), ni nécessairement totalement contrebalancés par une forte production d’énergie renouvelable sur place ou à proximité (Net Zéro Énergie). Ici, les besoins en énergie primaire nécessaires au fonctionnement normal du bâtiment sont fortement réduits et, parfois, partiellement contrebalancés par de l’énergie produite à partir de sources renouvelable pour répondre aux exigences variables selon les états-membres et les régions.

3. Le Q-ZEN en Wallonie, dans la continuité

logo QZEN

Si les premiers tâtonnements en termes de règlementations thermiques wallonnes datent de 1985 [Arrêté du 29 février 1984], ce n’est que depuis le début du millénaire que le monde politique prend pleinement conscience de l’importance d’une lutte active pour l’économie d’énergie et contre le changement climatique. C’est ainsi qu’en 2002, l’Europe ratifie le protocole de Kyoto [cop23.unfccc.int] scellant ainsi son engagement à réduire ses émissions de certains gaz à effet de serre.

Dans la foulée, une première directive européenne voit le jour (Directive 2002/91/CE). Elle sera ensuite transposée en décret (2007) et arrêtés (2008, 2009 et 2012) qui furent les premières exigences thermiques issues de directives européennes que nous ayons connus.

Plus récemment, en 2010, la directive a été révisée (directive 2010/31/UE) et trois ans plus tard cette version de la directive a été transposée en droit interne sous la forme d’un décret mis en application l’année suivant via l’arrêté d’application de 2014 modifié en dernier lieu par l’arrêté de 2017.

Pour honorer leurs engagements et respecter les directives européennes, les états membres ont renforcé les exigences en matière de performance énergétique d’années en années. Dans le secteur tertiaire, le niveau K est ainsi soumis à des exigences croissantes depuis 1985 tandis que le niveau Ew l’est depuis 2010 et a fait l’objet d’un renforcement croissant.

Schéma sur l'évolution de la réglementation thermique en wallonie.
Les Umax (coefficient de transmission thermique maximum des parois) sont pour leur part apparus en 1996.

schéma sur les Umax en wallonie.

Dernièrement, en vue de la transposition dans le droit interne de l’article 9 de la Directive européenne de 2010 relative à la performance énergétique des bâtiments, les états membres ont eu pour obligation de faire en sorte qu’au 1ier janvier 2021 tous les nouveaux bâtiments (y compris les bâtiments résidentiels) soient quasi Zéro Énergie. Pour les nouveaux bâtiments occupés et possédés par les pouvoirs publics, cette obligation est déjà valable à partir du 1er janvier 2019 !

schéma sur l'évolution du Q-ZEN en Wallonie.

Le Q-ZEN, se positionne donc dans la continuité des exigences précédentes. L’exigence est à la fois progressiste, réaliste et rationnelle. Les Umax sont conservés, le niveau K et les exigences pour la ventilation également. Le renforcement notable concerne le renforcement des exigences en matière de consommation d’énergie primaire EW (-30%) pour les parties fonctionnelles de bureau et d’enseignement ainsi que pour les bâtiments résidentiels.

Une réduction de – 27% sur le niveau Espec qui ne concerne lui que les bâtiments résidentiels est également à noter.

Vous l’aurez compris : pas de panique ! Le bâtiment Q-ZEN n’est pas nécessairement high-tech ou hors de prix, avec une stratégie passive adaptée et des technologies simples, les exigences pourront déjà être rencontrées.

Plus d’information sur la conception d’un bâtiment Q-ZEN !

Author Image Posted By : Sylvie 6 Juin, 2018

Compteurs communicants

Pour 2034, les objectifs de la région Wallonne sont d’équiper 80 % des ménages de compteurs communiquants.

Compteurs communicants

Les compteurs électriques communicants, appelés également compteurs « intelligents » ou « Smartmeters » comptabilisent la consommation électrique en ayant la particularité de communiquer les mesures avec le consommateur ainsi que le GRD (Gestionnaire du réseau de distribution).

Cette information fournie par le compteur permet :

  • Un meilleur contrôle des consommations ;
  • Le relevé des compteurs par le GRD à distance et donc des factures sur base de la consommation réelle ;
  • La détection rapide des pannes électriques et réduction du temps d’intervention ;
  • Facilité et information pour les autoproducteurs ;-
  • Prépaiement plus simple pour les compteurs à budget ;
  • Modifications de la tarification, de l’index, fermeture du compteur… à distance.

Pour le consommateur, l’arrivée de ces compteurs permet donc une facturation et un suivi plus fin et « connecté » de sa consommation : historique de consommation, conversion en Euros…

Ces systèmes ont un rôle important dans le développement des énergies renouvelables en permettant aux auto-producteur d’obtenir en continu des informations précises sur l’énergie prélevée ou injectée sur le réseau ce qui permettra une utilisation plus rationnelle de l’énergie. Côté GRD, l’apparition de ces systèmes de compteurs connectés et décentralisés permet de mieux gérer et accorder la production à la consommation.

Malgré ces nouvelles fonctionnalités, en France [2017], où ces systèmes sont déjà installés, seul 1 ménage sur 50 a fait les démarches permettant d’avoir accès à leur courbe de charge.

Pour conclure, les compteurs communicants, en plus d’être un premier pas vers la bonne gestion des énergies renouvelables et les smartgrids, permettent à l’occupant de reprendre le contact avec sa consommation. Autrefois, l’occupant pouvait compter le nombre de seaux de charbons / de bûches de bois qu’il brûlait et contrôler sa consommation de manière très directe et tangible. Aujourd’hui, le gaz et l’électricité « coulent » dans nos tuyaux opaques et nous n’avons pas la moins information palpable pour comprendre et avoir une idée de sa consommation. L’émergence de compteurs communiquant, avec leurs éventuels prolongements sous forme d’applications de suivi ou de gestion, pourra faciliter la conscience de la consommation à chacun et favoriser une utilisation rationnelle de l’énergie plus facile notamment via la possibilité pour le compteur de parler dans des unités compréhensibles et qui intéressent le consommateur : en € et €/heure plutôt qu’en kWh et kW.

Author Image Posted By : Sylvie 6 Juin, 2018

Tarif prosommateur (prosumer)

Tarif prosommateur (prosumer)

La CWaPE projette d’appliquer en 2020 un tarif différent pour les prosommateurs (consommateurs et producteurs dont la puissance de l’installation de production d’électricité est inférieure ou égale à 10 kVA). Actuellement les prosommateurs ne contribuent pas financièrement au réseau qu’ils utilisent. Le but de cette nouvelle tarification sera de permettre l’entretien et le développement du réseau électrique par l’ensemble des utilisateurs du réseau public de manière solidaire.

Cette participation sera au choix du prosommateur : forfaitaire ou proportionnelle.

La CWaPE prévoit également une garantie, pour les prosumers qui opteraient pour le tarif proportionnel, de ne pas payer un montant plus élevé que celui qu’ils paieraient avec le tarif capacitaire. Cette garantie vise à encourager les prosumers à faire le choix d’une tarification de réseau basée sur les prélèvements bruts (de manière à encourager l’autoconsommation), sans prendre le risque de payer plus qu’avec le tarif capacitaire.

Cette nouvelle tarification ne change rien en ce qui concerne l’octroi de certificats verts. Si vous avez droit aujourd’hui à ce mécanisme de soutien, vous conserverez ce droit selon les modalités et la durée précisées par l’AGW PEV1.

Les installations de plus de 10 kVa ne sont pas concernées par cette tarification. Celles-ci paient distinctement le prélèvement et l’injection d’électricité sur le réseau de distribution, conformément aux tarifs applicables par le GRD.

Plus d’information sur la Cwape

Le tarif Forfaitaire ou Capacitaire (€/kWe)

La CWaPE a établi que, de manière simplifiée :

  • ± 1/3 de l’énergie produite est consommée simultanément.
  • ± 2/3 de l’énergie produite est par conséquent réinjectée dans le réseau et consommée à un autre moment.

Le tarif forfaitaire consiste à faire contribuer le prosommateur aux coûts d’entretien et de développement du réseau solidairement à hauteur de 2/3 (62,24 % pour être exact) de ce qu’aurait payé un utilisateur classique pour les composantes « distribution et transport », pour une consommation électrique équivalente.

Le tarif capacitaire quant à lui s’applique à la puissance électrique nette développable (exprimée en kWe) de l’installation de production. La CWaPE prend comme hypothèse de production annuelle la valeur de 910 kWh par kWe par an. Le tarif capacitaire est exprimé en EUR/kWe.

Les tarifs exacts ne sont pas connus à l’heure de rédiger cet article, mais nous pouvons cependant estimer aujourd’hui que le tarif capacitaire devrait environ se situer entre 60 et 120 EUR/kWe TVAC en fonction de la puissance nette développable de l’installation photovoltaïque et de la zone géographique. [Les tarifs exacts seront disponibles à partir de la fin de l’année 2018]. La grille indicative ci-dessus éditée par l’ASBL Énergie facteur 4 permet déjà de se faire une idée du montant de la redevance.

Source : Energie Facteur 4 asbl | www.ef4.be

Trouver son Gestionnaire de Réseau de Distribution.

Le tarif prosumer capacitaire est un forfait qui ne tient pas compte de la présence de systèmes de stockage. Un prosumer qui reste sur ce tarif par défaut payera donc le même montant, avec ou sans batteries.

http://www.cwape.be

Le tarif Proportionnel (€/kWh)

Afin d’inciter à l’autoconsommation et ainsi atteindre un pourcentage d’autoconsommation supérieur à 37,76 %, la CWaPE prévoit une alternative tarifaire, laissée au libre choix du prosommateur, qui consiste à remplacer le tarif capacitaire par une tarification d’utilisation du réseau basée sur les kWh qui sont réellement prélevés du réseau. Cette option n’est toutefois possible que si le prosumer dispose d’un compteur double flux ou communicant lequel permet la mesure de ces prélèvements réels. Cette augmentation de l’autoconsommation permet, d’une part, de réduire la facture du prosumer et, d’autre part, d’intégrer de manière générale plus de renouvelable sur le réseau de distribution sans pour autant nécessiter des investissements supplémentaires. L’avantage est donc double : pour le prosumer et pour la collectivité.

Si le prosumer a installé une ou plusieurs batteries domestiques, il est fort probable que ses prélèvements sur le réseau de distribution soient plus faibles que précédemment, il paiera par conséquent moins cher les coûts de réseau. Il est important de noter que l’installation de batteries domestiques doit obligatoirement être signalée auprès de son gestionnaire de réseau de distribution.

http://www.cwape.be

Exemples

Cas 1 : autoconsommation = 37.76 %

http://www.cwape.be

Cas 2 : autoconsommation = 50 %

http://www.cwape.be

Author Image Posted By : Sylvie 6 Juin, 2018

Exigences QZEN 2021 (2019 pour les bâtiments publics)

Exigences QZEN 2021 (2019 pour les bâtiments publics)

Nouveau !
Depuis le 1er janvier 2018, les labels EcoDesign sont valorisés pour le chauffage. – voir textes réglementaires.

À partir du 1er janvier 2021 (2019 pour les bâtiments publics), les exigences PEB seront renforcées. Les exigences concernant les rénovations ne changent pas.

Vous pouvez vous informer utilement sur l’évolution de la réglementation PEB sur le site de la région.

Introduction

Faisant suite aux engagements de l’Europe face au Protocole de Kyoto, le Parlement et le Conseil de l’Union Européenne ont adopté, en 2002, la Directive européenne (2002/91/CE) sur la performance énergétique et le climat intérieur des bâtiments. La directive européenne dans laquelle la réglementation PEB wallonne s’inscrit actuellement est ce qu’on appelle communément la directive PEB recast (refonte) : Directive 2010/31/UE du parlement européen et du conseil du 19 mai 2010 sur la performance énergétique des bâtiments.

Lien vers la directive

Cette directive évalue la Performance Energétique des Bâtiments comme :

« La quantité d’énergie calculée ou mesurée nécessaire pour répondre aux besoins énergétiques liés à une utilisation normale du bâtiment, ce qui inclut entre autres l’énergie utilisée pour le chauffage, le système de refroidissement, la ventilation, la production d’eau chaude et l’éclairage. »

Elle impose qu’au lendemain du 31 décembre 2020 tous les nouveaux bâtiments soient à consommation d’énergie quasi nulle : nZEB (Nearly Zero Energy Building) = Q-ZEN (Quasi – Zéro ENergie).

Un bâtiment à consommation d’énergie quasi nulle est :

« Un bâtiment qui a des performances énergétiques très élevées. La quantité quasi nulle ou très basse d’énergie requise devrait être couverte dans une très large mesure par de l’énergie produite à partir de sources renouvelables, notamment l’énergie produite à partir de sources renouvelables sur place ou à proximité »

L’énergie produite à partir de sources renouvelables désigne ici :

« Une énergie produite à partir de sources non fossiles renouvelables, à savoir l’énergie éolienne, solaire, aérothermique, géothermique, hydrothermique, marine ou hydroélectrique, biomasse, gaz de décharge, gaz des stations d’épuration d’eaux usées et biogaz »

La directive impose à chacun des États-Membres de définir en droit national ou régional :

  • une méthode de calcul de la Performance Energétique des Bâtiments ;
  • des exigences minimales relatives à la performance énergétique des bâtiments neufs et des bâtiments existants faisant l’objet de travaux de rénovation importants;
  • des systèmes de certification de la P.E.B.;
  • des exigences concernant l’inspection régulière des chaudières et des systèmes de climatisation.

Conformément à la Directive, un certificat attestant la performance énergétique doit ainsi être délivré à chaque moment-clé de la vie des bâtiments résidentiels ou non résidentiels :

  • lors de leur construction ;
  • lors de leur vente ;
  • lors de leur location.

Le certificat a une durée de validité de 10 ans.

Tous les bâtiments de plus de 250 m² occupés par les pouvoirs publics et fréquemment visités par le public doivent être certifiés et le certificat de performance énergétique doit être affiché à un emplacement et d’une manière clairement visible pour le public.

En Belgique, ce sont les autorités régionales qui sont compétentes en matière d’énergie. Ainsi, chacune des régions a dû implémenter la dernière version de la directive. En Région Wallonne, un nouveau décret PEB (recast) fixait, en 2013, le cadre global de l’application de la directive sur la Performance Energétique des bâtiments.

Lien vers le décret du 28 novembre 2013 relatif à la performance énergétique des bâtiments

Un arrêté du Gouvernement wallon (AGW) met en application concrète le décret. Depuis 2014, il a été modifié et complété par quatre nouveaux AGW :

  • AGW Méthode 2016 : Arrêté du Gouvernement wallon du 19 novembre 2015, qui vise uniquement à remplacer l’annexe A1 Méthode PER 2016).
  • AGW NZEB : Arrêté du Gouvernement wallon du 28 janvier 2016, qui vise principalement à définir les exigences d’un bâtiment quasi zéro énergie (Q-ZEN), à insérer les annexes A3 (Méthode PEN) et C4 (exigences systèmes), ainsi qu’à remplacer l’annexe C1 (exigences U/R des parois.
  • AGW Méthode 2017 : Arrêté du Gouvernement wallon du 15 décembre 2016, qui vise principalement à remplacer l’annexe A1 (Méthode PER 2017), l’annexe A3 (Méthode PEN 2017) et annexe B1 (DRT 2017).
  • AGW Méthode 2018 : Arrêté du Gouvernement wallon du 14 décembre 2017, qui vise principalement à remplacer l’annexe A1 (Méthode PER 2018), l’annexe A3 (Méthode PEN 2018) .

L’AGW PEB coordonné est disponible via ce lien.

La méthode PEN

La méthode PEB pour déterminer le niveau de consommation d’énergie primaire des unités non résidentielles neuves est appelée méthode PEN.

Cette méthode est d’application pour toutes les destinations autres que le logement individuel. Les unités industrielles ne sont cependant pas concernées par la méthode PEN.

La réglementation prévoit une subdivision supplémentaire des secteurs énergétiques en parties fonctionnelles. Elles sont caractérisées par des fonctions qui ont des paramètres différents :

  • les horaires d’occupation ;
  • les températures intérieures de consigne ;
  • les gains internes dus aux personnes et aux appareils ;
  • les besoins nets annuels pour l’eau chaude sanitaire ;
  • la quantité d’humidité à produire ;
  • le temps de fonctionnement de la ventilation ;
  • le nombre d’heures d’utilisation par mois (en périodes diurne et nocturne) pour l’éclairage ;
  • le niveau de confort lumineux.

Les équations utilisées dans la méthode PEN contiennent pour chaque partie fonctionnelle des valeurs dépendant de la fonction.

 

Exigences

  • Umax : coefficient de transmission thermique maximal pour chaque paroi de déperdition [W/m²°K]. Plus la paroi est isolée, plus la valeur U est faible. Les valeurs maximales à satisfaire sont renseignées dans l’Annexe C1 de la PEB.
  • Niveau K : niveau global d’isolation. Ce niveau K définit l’isolation thermique globale d’un bâtiment. Plus il est petit, meilleur est l’isolation. Le niveau K est déterminé par les caractéristiques d’isolation thermique des éléments de construction et la compacité du bâtiment. (Annexe 3).
  • Niveau E : niveau de consommation en énergie primaire du bâtiment (Annexes 1 et 2).
  • Ventilation : débits minimaux et dispositifs à prévoir (Annexes C2 et C3).
  • Surchauffe : Pour le résidentiel un critère sur le risque de surchauffe est aussi à respecter. Une probabilité d’avoir un refroidissement actif doit être calculé sur base d’un indicateur de surchauffe.

Les exigences sont renforcées au 1er janvier 2019 pour les bâtiments publics et au 1er janvier 2021 pour tous les autres bâtiments (résidentiels et non résidentiels).

Evolution des exigences sur le niveau Ew et K en Wallonie de 1985 à nos jours.

Évolution des exigences sur la valeur U maximale des différentes parois en Région wallonne  de 2008 à 2022.

Les bâtiments soumis à permis d’urbanisme en Région Wallonne doivent, au Ier janvier 2021, répondre aux exigences suivantes :

<

NATURE DES TRAVAUX SOUMIS À PERMIS
 Valeurs
U		 Niveau
K		 Niveau
EW		 Consommation
spécifique		 Ventilation Surchauffe
U K EW Espec V S
Procédure
AVEC
responsable PEB		 Bâtiment neuf
ou
assimilé		 PER Maisons
unifamiliales
Appartements		 <Umax < K35
+ nœuds constructifs		 45 85
kWh/m²an		 Annexe
C2		 < 6  500
kh
PEN Bureaux
Services
Enseignement
Hôpitaux
HORECA
Commerces
Hébergements
collectifs

90/45

(1)

 Annexe
C3
I Industriel

< K55
+ nœuds constructifs
Rénovation
importante		 uniquement
éléments modifiés		 (2)
Procédure
SANS
responsable PEB
Déclaration
PEB
simplifiée

Rénovation simple y compris
changement d’affectation

chauffé > chauffé

 < Umax
des éléments modifiés et neufs		 (2)

Changement d’affectation

non chauffé > chauffé

 < K65
+ nœuds
constructifs		 Annexe
C2 ou C3

(1) La performance de l’unité PEN est calculée au prorata des exigences (90 ou 45) propre à chacune des parties fonctionnelles.

(2) Amenées et extraction d’air dans les nouveaux locaux et amenées d’air dans les locaux existants si porte et/ou fenêtre remplacée.

Tableau des exigences des valeurs Umax 

Élément de construction Umax [W/m²K]
Parois délimitant le volume protégé
Toitures et plafonds 0.24
Murs (1) 0.24
Planchers (1) 0.24
Portes et portes de garage 2.00

Fenêtres:
– Ensemble de châssis et vitrage
– Vitrage uniquement

1.50
1.10
Murs-rideaux :
– Ensemble de châssis et vitrage
– Vitrage uniquement		 2.00
1.10
Parois transparentes / translucides autres que le verre :
– Ensemble de châssis et partie transparente
– Partie transparente uniquement
(ex : coupole de toit en polycarbonate, …)		 2.00
1.40
Brique de verre 2.00
Parois entre 2 volumes protégés situés sur des parcelles adjacentes (2) 1.00
Parois opaques à l’intérieur du volume protégé ou adjacentes à un volume protégé sur la même parcelle (3) 1.00

(1) Pour les parois en contact avec le sol, la valeur U tient compte de la résistance thermique du sol et doit être calculée conformément et doit être calculé conformément aux spécifications fournies à l’annexe B1 de l’Arrêté.

(2) A l’exception des portes et fenêtres.

(3) Parois opaques (à l’exception des portes et portes de garage) :

  • entre unités d’habitation distinctes ;
  • entre unités d’habitation et espaces communs (cage d’escaliers, hall d’entrée, couloirs, …) ;
  • entre unités d’habitation et espaces à affectation non résidentielle ;
  • entre espaces à affectation industrielle et espaces à affectation non industrielle.

Méthode de calcul EW des unités PEN

où : 

  • EW : l’exigence de niveau EW pour l’unité PEN, (-) ;
  • Ach,fct f : la surface de plancher chauffé ou climatisé de chaque fonction f, calculée conformément à l’annexe A3 de l’arrêté, en m² ;
  • Ech,fct f : l’exigence EW pour chaque fonction f, telle que déterminée dans le tableau, (-) ;
  • Ach : la surface de plancher chauffé ou climatisé de l’unité PEN calculée conformément à l’annexe A3 de l’arrêté, en m².

Il faut faire la somme de toutes les fonctions de l’unité PEN.

Fonctions dans l’unité PEN EW, fct f
Hébergement 90
Bureau 45
Enseignement 45
Soins de santé Avec occupation nocturne 90
Sans occupation nocturne 90
Salle d’opération 90
Rassemblement Occupation importante 90
Faible occupation 90
Cafétéria / réfectoire 90
Cuisine 90
Commerce / service 90
Installations sportives Hall de sport / Salle de gymnastique 90
Fitness / Danse 90
Sauna / Piscine 90
Locaux techniques 90
Communs 90
Autre 90
Inconnue 90

Exigences des systèmes

Depuis le 1er mai 2016, des exigences s’appliquent aux systèmes (chauffage, eau chaude sanitaire, climatisation, ventilation).

Travaux soumis à permis ou non Performance Calorifugeage Comptage énergétique
Bâtiments existants Installation
Modernisation
Remplacement

Exigence systèmes – Annexe C4

– Chaudières gaz
– Chaudières mazout
– Pompes à chaleur
– Chauffage électrique direct
– ECS électrique

– Machines à eau glacée

– Récupérateur de chaleur

– Conduites d’eau chaude

– Conduites d’eau glacée

– Conduits d’air

– Comptage par installation

– Comptage entre bâtiments

– Comptage entre unités PEB
Bâtiments à reconstruire et assimilés(2) Installation – –

Uniquement(1):

– Comptage entre bâtiments

– Comptage entre unités PEB

(1) Il s’agit des points 1.6.2.3, 1.6.2.4, 2.3.2.2 et 2.3.2.3 de l’ annexe C4 (PDF-1013 ko).

(2) Assimilation aux bâtiments à construire :

  • Reconstruction ou extension : lorsqu’on crée un volume protégé supérieur à 800 m³ ou lorsqu’on double le volume protégé existant.
  • Autres cas : installations ET 75 % de l’enveloppe remplacés.

En pratique

La procédure administrative relative aux exigences P.E.B. pour bâtiment neuf est essentiellement liée à la procédure de permis d’urbanisme. Elle est divisée en deux étapes :

  • la déclaration P.E.B initiale avec étude de faisabilité
  • la déclaration P.E.B. finale avec établissement du certificat PEB.
Moment

Etapes de la procédure

Définition

Dépôt de la demande de permis1.

DÉCLARATION PEB INITIALE

Document qui reprend une description succincte des principaux dispositifs et une estimation de la performance énergétique du bâtiment.

Au plus tard dans les 12 mois de l’occupation du bâtiment ou de l’achèvement du chantier et, en tout cas au terme du délai de validité du permis.

DÉCLARATION PEB FINALE

Document qui reprend le résultat final et réel de la performance énergétique du bâtiment et décrit les mesures réellement mises en œuvre pour atteindre cette performance.

1 Une étude de faisabilité technique, environnementale et économique de systèmes alternatifs doit être réalisée avant l’introduction de la demande de permis d’urbanisme.

Quatre acteurs (définis dans le code wallon) interviennent dans la procédure P.E.B. :

  • Déclarant P.E.B. : il est la personne physique ou morale tenue de respecter les exigences P.E.B. Il est en général le maître d’ouvrage ou l’acquéreur.
  • Responsable P.E.B. : il est la personne, physique ou morale, désignée par le déclarant (soit, par défaut, l’architecte, soit une personne agréée par le Gouvernement Wallon). Il est le responsable de la conception et des mesures mises en œuvre pour atteindre les exigences P.E.B. jusqu’à l’exécution des travaux. Il est aussi responsable de la rédaction de ces engagements.
  • Auteur de l’étude de faisabilité (agréé par le GW et désigné par le déclarant). Ce peut être le responsable PEB lorsque le bâtiment compte moins de 1000 m² de surface utile.
  • Le certificateur P.E.B. (agréé par le GW et désigné par le déclarant) pour bâtiments existants.

Des dispositifs de contrôle et des sanctions ont été prévus (Annexe E):
Les contrôles sont effectués par la commune (contrôle succinct lors de l’introduction de la demande de permis) ou la Division de l’Énergie (DGO4) par coups de sonde sur chantier.
En cas de non respects des exigences, des amendes administratives (vers le demandeur, déclarant et/ou responsable PEB) sont de mises. On évaluera aussi la possibilité de réaliser des travaux de mise en conformité.

Documents de référence

La réglementation actuelle comprend 9 annexes déterminant les exigences et les différentes méthodes de calcul :

  • ANNEXE 1 – Méthode PER : Méthode de détermination du niveau de consommation d’énergie primaire des unités résidentielles.
  • ANNEXE 2 – Méthode PEN : Méthode de détermination du niveau de consommation d’énergie primaire des unités non résidentielles.
  • ANNEXE 3 – DRT : Document de référence pour les pertes par transmission. Règles pour le calcul des pertes par transmission dans le cadre de la réglementation PEB. Calcul du coefficient de transmission thermique des parois des bâtiments (valeur U) et du coefficient de transfert thermique par transmission dans les bâtiments (valeur H).
  • ANNEXE B2 – NC : Traitement des nœuds constructifs.
  • ANNEXE C1 – UR : Valeurs U maximales admissibles ou valeurs R minimales à réaliser.
  • ANNEXE C2 – VHR : Dispositifs de ventilation dans les bâtiments résidentiels.
  • ANNEXE C3 – VHN : Dispositifs de ventilation dans les bâtiments non résidentiels.
  • ANNEXE D – CRE : Méthode de détermination de la consommation spécifique des bâtiments résidentiels dans le cadre de la certification PEB.
  • ANNEXE E – SCT : Détermination des amendes administratives.

L’ensemble de ces documents sont accessibles sur le site de la région.
De manière accessible et pratique, le Guide sur la Performance Énergétique des Bâtiments réalisé par l’ULg (CIFFUL) et avec le soutien du SPW est disponible en ligne sur le site de la région.

 

Night colling
Author Image Posted By : Sylvie 6 Juin, 2018

Maîtrise de la surchauffe grâce au Night Cooling

L’administration wallonne montre l’exemple en rénovant à Jambes un bâtiment sans climatisation, mais rafraîchi naturellement.

Introduction

En 2012, le service public de la Région wallonne décide de rénover un immeuble de bureau inoccupé à Jambes pour y installer certains de ses services, à savoir la direction générale de l’aménagement du territoire, logement, patrimoine et énergie (DGATLPE).

Dans le contexte actuel d’une utilisation responsable des ressources énergétiques, le maître de l’ouvrage a souhaité que le bâtiment soit particulièrement performant en matière de consommation d’énergie. Celle-ci sera bien inférieure aux consommations d’un immeuble de bureau classique, tout en garantissant un confort très élevé.

Le bâtiment se veut exemplaire et doit servir de modèle en vue d’encourager les autres acteurs de la construction à entreprendre le même type de démarche.

Les travaux ont été terminés en 2015. Le bâtiment est une réussite !

 

Nouveau bâtiment de la DGATLP à Jambes.

Parmi les nombreuses mesures prises pour améliorer les performances énergétiques du bâtiment, il a été décidé de maîtriser la surchauffe des locaux sans faire appel à des groupes de refroidissement dans une partie du bâtiment. Comment a-t-on fait et est-ce que cela fonctionne ?

Le bâtiment

Situation préexistante

Avant les travaux, le bâtiment construit dans les années 1960 comptait un rez-de-chaussée et 3 étages de bureaux, le tout surmonté d’un étage sous toiture à versants non aménagé.

 

Le bâtiment avant les travaux.

La structure du bâtiment est en béton armé : planchers nervurés et façades portantes à colonnes.

 

Structure en béton.

  Ancienne façade.

La toiture est à structure métallique légère.

 

La structure de l’ancienne toiture à versants.

Transformations

Le bâtiment a été complètement transformé de deux manières différentes :

  • La structure en béton armé des trois étages et du rez-de-chaussée a été conservée et cette partie a été complètement rénovée.
  • La toiture a été enlevée et un nouvel étage à toiture plate a été construit.

Ces deux parties sont très différentes et dans le cadre de la réglementation sur la performance énergétique des bâtiments PEB sont considérées comme des unités distinctes.

Le quatrième étage

Cet étage constitue à lui seul un bâtiment neuf construit sur le bâtiment existant après enlèvement de la toiture à versant. Il comprend principalement des espaces de réunion.

Bien que thermiquement très performant par rapport aux critères de l’époque (2011), il ne sera pas décrit dans la présente étude de cas.

En résumé :

  • la transmission thermique à travers les parois ne dépasse pas les maximums autorisés ;
  • le niveau d’isolation thermique global K = 36 ;
  • le niveau de performance énergétique EW = 72.

La gestion du confort d’été de ce quatrième étage à faible inertie thermique est assurée par un groupe de refroidissement adiabatique par évaporation indirecte suivi par un refroidissement mécanique de type pompe à chaleur. Les fenêtres sont munies de stores extérieurs à commande automatique.

Le rez-de-chaussée et les trois premiers étages

Cette partie du bâtiment comprend principalement des bureaux. Elle est particulièrement compacte et bien isolée thermiquement. Son confort thermique en été sera étudié en détail.

Sa compacité est très élevée (presque 6 m) grâce à un volume important et une surface de façades relativement réduite. Il n’y a pas de déperdition :

  • vers les bâtiments mitoyens ;
  • vers le bas là où se trouvent les bureaux de la poste ;
  • vers le haut là il est couvert par le nouveau 4e étage.

 

Le niveau d’isolation thermique de la surface de déperdition du volume protégé est élevé.

Façades

La façade avant a été recouverte par l’extérieur de caissons préfabriqués en bois remplis de 12 cm de laine de roche. Ce qui confère à celle-ci un coefficient de transmission thermique U de 0.31 W/m²K.

La façade arrière a été isolée par l’extérieur à l’aide de 12 cm de laine de roche recouverte d’un enduit. Le coefficient de transmission thermique U de cette façade est de 0.27 W/m²K.
Ces valeurs de U répondent aux exigences de Performance Energétique des Bâtiments (PEB) de l’époque de la demande de permis de bâtir. Depuis 2014, le U des façades ne peut pas dépasser 0.24 W/m²K (= Umax).

De par le choix de la méthode, le risque de ponts thermiques entre l’intérieur et l’extérieur est quasiment nul et la structure lourde de la façade située à l’intérieur participe à la stabilité thermique des locaux.

 

Isolation thermique de la façade avant.

Isolation thermique de la façade.

> Fenêtres

Les châssis sont en aluminium à coupure thermique et sont munis de double vitrage acoustique basse émissivité performant dont le coefficient de conductivité thermique Ug vaut 1.1 W/m²K.
Suivant leur configuration, les fenêtres ont un coefficient de conductivité thermique Uw compris entre 1.6 et 1.8 W/m²K.

Ces valeurs de U répondent aux exigences de Performance Energétique des Bâtiments (PEB) de l’époque de la demande de permis de bâtir. Depuis 2018, le UW des fenêtres ne peut pas dépasser 1.5 W/m²K (= Umax).

Les fenêtres sont de type oscillo-battant. Motorisées, elles s’entrouvrent automatiquement lorsque le système de gestion du night-cooling le commande.
Elles sont munies de stores extérieurs automatiques.

 

Fenêtre en aluminium à coupure thermique.

> Toitures plates

Les toitures plates sont du type « toiture chaude« . Elles sont végétalisées. La couche isolante est constituée de 20 cm de laine de roche. Elle confère à ces toitures un coefficient de transmission thermique de 0.19 W/m²K. Cette valeur est inférieure au maximum toléré jusqu’en janvier 2021 : Umax = 0.24 W/m²K.

 

La toiture plate végétalisée.

> Inertie thermique

L’inertie thermique de la partie rénovée du bâtiment a été conservée grâce à l’enrobage par l’isolant du côté extérieur de la structure lourde existante. La masse thermique est ainsi accessible.
Il n’y a pas (ou peu) de faux plafonds. Les dalles en béton sont donc apparentes. Leur forme nervurée augmente leur capacité d’échange thermique avec l’air ambiant.
Par contre, des faux planchers ont été posés sur les dalles en béton, ce qui réduit l’échange thermique au sol.

La masse thermique est disponible.

 

Les nervures sous les dalles en béton restent accessibles

> Protections solaires

La façade avant est orientée au Sud-Est.
Des coursives et des panneaux solaires photovoltaïques verticaux fixes ont été placés pour permettre la gestion des apports solaires et limiter les surchauffes en période estivale. Ils ont été complétés par des stores extérieurs mobiles devant les fenêtres.

> Le système de chauffage

Le chauffage des locaux est assuré par des convecteurs alimentés en eau chaude par une chaudière à gaz à condensation d’une puissance de 120 kW.

 

La (petite) chaudière à condensation au gaz.

Cette puissance est largement suffisante. Nous avons installé des appareils de mesure dans divers bureaux en plein hiver et constaté que la température de confort était atteinte en permanence.

Évolution de la température durant la période froide.

> Le système de refroidissement

Le refroidissement des plateaux se fait par ventilation naturelle. Elle fonctionne grâce  à des fenêtres commandées automatiquement.

Nous nous intéresserons dans la présente étude de cas à la maîtrise de surchauffe dans la partie du bâtiment qui a été rénovée (rez-de-chaussée et étages 1, 2 et 3).

La maîtrise de la surchauffe

Les apports de chaleur internes sont très importants dans les immeubles de bureaux. Aussi, différents éléments ont été mis en œuvre pour limiter les risques de surchauffe en été et les inconforts qui en découlent.

> Protections solaires

Pour réduire les apports solaires en été, des protections ont été placées à l’extérieur de la façade Sud-Est.

Des protections fixes :

  • coursives en planchers métalliques ajourés ;
  • panneaux solaires photovoltaïques fixes en partie translucide. Ils sont orientés au Sud pour une meilleure efficacité et décalés par rapport aux fenêtres. De cette manière, ils permettent une meilleure vue vers l’extérieur et ombragent les fenêtres à midi.

 

Protections solaires fixes : panneaux PV et coursives.

Des protections mobiles :

  • les fenêtres sont équipées de stores extérieurs automatiques.

Protections solaires mobiles : stores automatiques.

> Fonctionnement des stores :

Tous les stores d’une même façade et d’un même étage s’ouvrent et se ferment en même temps.
Ils sont soit complètement ouverts, soit complètement fermés sans position intermédiaire.
Entre 20h00 et 06h00 ils sont toujours relevés.

> Inertie thermique :

 

Ventilation intensive (night-cooling) 

Les fenêtres des bureaux sont munies d’ouvrants motorisés. Elles s’ouvrent en oscillant vers l’intérieur. Le moteur de marque ROTO est encastré dans la traverse haute du dormant et est complètement invisible lorsque les fenêtres sont fermées.

  

Fenêtre à ouverture motorisée en façade.

Des ouvertures de transfert sont prévues entre les bureaux et les couloirs. Elles peuvent être refermées la journée pour des raisons acoustiques.

   

Ouvertures de transfert obturables entre les bureaux et les couloirs.

Les escaliers servent de cheminées de ventilation verticales

 

La ventilation intensive de nuit se fait via les escaliers et la gaine qu’ils entourent.

Des ouvrants (louvres) sont situés au-dessus des cages d’escaliers afin de permettre la ventilation naturelle.

   

 

Un de ces ouvrants est muni d’un ventilateur destiné à forcer la ventilation en cas de nécessité.

   

Le ventilateur installé dans une des tourelles de ventilation.

Le night-cooling

 

Schéma de principe du night cooling.

 

Application au 3e étage.

Fonctionnement

En été, lorsque le ciel est dégagé et que le rayonnement direct du soleil atteint les sondes d’ensoleillement, les stores se ferment. Ils se relèvent automatiquement à 20h00.

Le soir, toutes les ouvertures de transfert entre les couloirs et les bureaux sont ouvertes manuellement, soit par l’occupant qui a terminé de travailler soit par le service de gardiennage lors de sa première ronde. Parfois les portes des bureaux sont également laissées ouvertes.

Par contre, les portes de chaque étage communiquant avec d’autres bâtiments se ferment automatiquement la nuit pour qu’il n’y ait pas d’interférence de ceux-ci sur le fonctionnement du night cooling.

Chaque étage fonctionne indépendamment des autres. Tous les ouvrants de l’étage vont s’ouvrir en fonction de certaines conditions :

  • l’heure ;
  • la température de l’air intérieur ;
  • la température du béton ;
  • la température de l’air extérieur ;
  • l’ouverture des stores ;
  • la vitesse du vent.

En fonctionnement naturel, tous les ouvrants situés au-dessus des cages d’escaliers sont complètement ouverts et le tirage de l’air extérieur se fait naturellement à travers les étages dont les fenêtres sont ouvertes, via les cages d’escalier.

Si à minuit, les consignes de température ne sont pas atteintes par le night cooling naturel, tous les ouvrants situés au-dessus des escaliers se referment sauf celui qui est équipé d’un ventilateur d’extraction forcée. Ce dernier se met alors en route et fait circuler l’air mécaniquement.

La sonde de température intérieure à chaque étage est placée dans un bureau type. Ce bureau choisi est celui qui est orienté le plus défavorablement et qui présente le risque de surchauffe le plus important. L’ouverture de transfert de ce bureau vers le couloir doit être ouverte en permanence afin de permettre une représentation réaliste du refroidissement du bâtiment.

Le confort thermique

Lors de la mise en service du bâtiment, le système de night cooling du bâtiment n’était pas encore au point et certains occupants se plaignirent de températures trop élevées en été. De plus l’impossibilité d’ouvrir les fenêtres accentuait encore la sensation d’inconfort.
Les causes de dysfonctionnement ont été rapidement définies et les réglages nécessaires ont été effectués. Par la suite, plus personne ne s’est plaint d’un excès de chaleur.
Des sondes enregistreuses ont été placées dans certains bureaux en été pour vérifier la température et l’humidité de l’air. Les résultats confirment l’efficacité du système pendant trois semaines de forte chaleur.

 

Résultats des relevés dans un des bureaux entre le 06 et le 26 juillet 2017.

Les bons résultats obtenus découlent notamment de l’utilisation des stores durant la journée.
S’ils sont très efficaces de ce point de vue, par contre leur fonctionnement amène certaines contraintes. En effet, lorsqu’ils sont fermés, les bureaux sont plongés dans une pénombre qui parfois enclenche l’éclairage artificiel. La vue vers l’extérieur est également empêchée.  Cela entraîne une dépense d’énergie et un inconfort pour les utilisateurs des bureaux qui se plaignent de l’ambiance ainsi créée.
Des solutions sont à l’étude : programmation du fonctionnement ; dérogations par les utilisateurs ; fermeture partielle ; protections distinctes contre l’éblouissement ; etc.

Conclusion économies d’énergie

L’usage du night cooling, lorsqu’il est possible et efficace est particulièrement économique. La consommation électrique est très faible. Elle est limitée à la programmation, à la manœuvre des stores et fenêtres et à l’usage peu fréquent du ventilateur dans les conditions les plus contraignantes.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le Service Public de Wallonie.

Nos interlocuteurs furent :

  • Madame Amélie Paris de la Direction des études, des Marchés et des Travaux patrimoniaux, département de la Gestion immobilière.
  • Monsieur Didier Herman du SPW territoire, logement patrimoine et énergie, direction fonctionnelle et d’appui,  et logistique.

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.

Author Image Posted By : Sylvie 17 Nov, 2017

Des économies d’énergie par une ventilation efficace des auditoires

Un auditoire Montesquieu à Louvain-la-Neuve.

Revoir les systèmes de ventilation et de chauffage d’anciens auditoires cela peut rapporter gros !

Introduction

L’Université Catholique de Louvain (UCL) compte de nombreux auditoires à Louvain-la-Neuve qui ont été construits dans les années 1970. A l’époque on se souciait relativement peu de la consommation d’énergie malgré le premier choc du pétrole de 1973. Ces bâtiments, bien que confortables, sont donc thermiquement peu performants.

Monsieur D. Smits, responsable de la cellule énergie et environnement du patrimoine immobilier de l’université, en est bien conscient. En 2015, il décide d’agir. Il communique les données du problème à ses collègues et propose des pistes de solutions qui seront mises en œuvre.

Nous allons étudier une des réalisations qu’il a menée, la modification des systèmes de ventilation et de chauffage des auditoires du bâtiment MONTESQUIEU.

Le bâtiment Montesquieu à Louvain-la-Neuve.

La démarche

Évaluer

La première étape fut d’évaluer grossièrement les potentiels d’économie d’énergie.
Dans cinq bâtiments comptant de nombreux auditoires, la ventilation fonctionnait même lorsque les auditoires n’étaient pas occupés.
Il a été décidé de réguler, durant trois mois (octobre, novembre et décembre 2015) leur ventilation de manière manuelle en fonction de leur occupation. Lorsque l’auditoire n’était pas occupé, la ventilation était arrêtée.

Bien que les conditions climatiques aient été peu rigoureuses, les résultats mesurés furent spectaculaires.

Par rapport aux années précédentes :

  • la consommation électrique baissa de 313.175 kWh à 271.087 kWh, soit une économie d’environ 13 %;
  • la consommation thermique normalisée baissa de 1.179 MWh à 796 MWh, soit une économie d’environ 32 %.

Cela correspond en trois mois d’hiver à :

  • une économie financière de 26.572 € ;
  • une économie de 121 tonnes de CO2.

Et … aucune plainte des utilisateurs n’a été enregistrée 😉

Communiquer et convaincre

Avec des arguments pareils, le message était facile à faire passer

Il y a de belles économies à réaliser !

Tous les décideurs furent ainsi convaincus de la nécessité d’intégrer les paramètres d’occupation dans la régulation et que l’investissement financier a sans aucun doute un temps de retour optimal !

Agir

Le bâtiment MONTESQUIEU a été choisi pour effectuer les premiers travaux. Les tests de 2015 sur ce bâtiment avaient abouti à une économie de 19%, tant en matière de consommation électrique que de consommation thermique.

Vérifier

L’impact des travaux sera non seulement évalué sur les consommations d’énergie mais aussi sur le confort. Si les espoirs attendus se confirment, l’action sera ensuite étendue aux autres bâtiments susceptibles d’être facilement améliorés.

Le bâtiment

Le bâtiment Montesquieu a été terminé en 1978.

Il compte :

  • 4 auditoires de 168 places chacun ;
  • 2 grands auditoires de 356 et 396 places.

Les quatre auditoires de 168 places chacun au rez-de-chaussée.

Les deux grands auditoires de l’étage.

Coupe transversale des auditoires.

  1. Plénum de pulsion des petits auditoires,
  2. plénum de reprise des petits auditoires,
  3. plénum de pulsion des grands auditoires,
  4. plénum de reprise des grands auditoires.
  5. radiateurs.

Grand auditoire de 359 places.

Les systèmes existants

Chauffage

Le chauffage des auditoires est assuré par deux systèmes :

1. Les radiateurs implantés dans les auditoires et les autres locaux du bâtiment étaient alimentés par des circuits branchés sur le réseau de chauffage urbain de Louvain-la-Neuve.

Chauffage statique par des radiateurs.

2. L’air de ventilation des auditoires était réchauffé dans les groupes de pulsion par des circuits connectés au même réseau.

Ventilation

L’air neuf est amené dans les auditoires par des fentes sous les sièges reliées à un plénum de pulsion.

 

Les ouvertures de pulsion sous les sièges.

Les ouvertures vues depuis le plenum.

Il est extrait par des grilles aux plafonds qui communiquent avec un plénum de reprise.

Les grilles d’extraction.

Les sanitaires possèdent leur propre groupe d’extraction.

Chaque auditoire possède son propre groupe de pulsion et son propre groupe d’extraction.
L’air était chauffé dans les groupes de pulsion. Les groupes d’extraction sont distants des groupes de pulsion. Les groupes de pulsion sont situés au sous-sol, tandis que les groupes d’extraction sont situées au dernier étage. La chaleur de l’air extrait n’est pas récupérée.

Un des groupes de pulsion.

Les groupes ne fonctionnaient qu’à un seul régime durant toute la journée d’occupation des auditoires.

Les travaux réalisés

L’objectif de ces travaux est d’optimiser :

  1. le fonctionnement du chauffage de manière à obtenir dans les auditoires les températures nécessaires en fonction des occupations horaires ;
  2. la ventilation (alimentation – extraction) de manière à obtenir une qualité de l’air suffisante.

Cette optimisation entraine une diminution de la consommation d’énergie (chauffage et électricité) tout en maintenant le confort.

La régulation du chauffage et de la ventilation a été connectée au programme centralisé de l’UCL pour la gestion de l’occupation des auditoires ADE Expert. De cette manière, les apports en chaleur et en air frais peuvent être régulés en fonction de l’utilisation et de la température dans le local, et anticipé en fonction des conditions atmosphériques extérieures.

Le planning d’occupation d’un auditoire.

Les radiateurs ont été remplacés et redimensionnés de manière à fournir la puissance nécessaire pour assurer le chauffage des auditoires indépendamment de la ventilation lorsque celle-ci n’est pas nécessaire.

Radiateur ajouté.

Radiateur remplacé.

Chaque auditoire possède son propre circuit de chauffage alimenté par une vanne à deux voies connectée à la régulation. Tous les auditoires ne sont donc pas chauffés si certains sont inoccupés.

Les vannes à deux voies règlent le débit des circuits des radiateurs.

Les moteurs des groupes de pulsion et d’extraction ont été remplacés par des moteurs asynchrones à haut rendement. Des variateurs de fréquence sont installés.

Le variateur de fréquence.

Ils sont commandés par des nouvelles sondes de température et de qualité de l’air (CO2) qui ont été placées dans les auditoires ainsi que par le boîtier pompier.

La sonde T° & CO2 placée dans un auditoire.

De cette manière, la ventilation varie en fonction des besoins en air frais uniquement indépendamment des besoins en chauffage. Les batteries de chauffe des groupes de pulsion assurent une température confortable de l’air pulsé et peuvent aussi servir de complément en cas de grand froid et d’insuffisance des circuits de chauffage statique.

Principe de la régulation du système ventilation-chauffage

Chaque auditoire est régulé séparément.
Le programme centralisé d’occupation des auditoires (ADE Expert) indique si l’auditoire est occupé.

-> S’il n’est pas occupé, la ventilation et le chauffage sont arrêtés.

-> S’il est occupé,

  • S’il fait froid, le chauffage de l’auditoire se met en route (y compris anticipation). La sonde de température à l’intérieure de l’auditoire règle l’ouverture de la vanne à deux voies du circuit de chauffage.
  • La ventilation se met en route en fonction des informations reçue de la sonde CO2 qui se trouve dans l’auditoire. Le débit du groupe est déterminé par le taux de CO2 constaté. S’il fait froid, la température de l’air de ventilation est réglée par une sonde de température placée dans le groupe de pulsion. Il est réchauffé par la batterie de chauffe du groupe alimenté par une vanne à trois voies reliée au circuit de chauffage.

Un des nouveaux tableaux de commandes.

Récupération de la chaleur sur l’air extrait. Une piste pour le futur

Un échange de chaleur n’a pas pu être installé entre l’air entrant et l’air sortant à cause du coût important des adaptations nécessaires et à la distance entre les circuits des gaines d’extraction et de pulsion et des groupes GE et GP. Plus tard, un système d’échangeur à eau glycolée pourrait être installé si le temps de retour de l’investissement le justifie et si les moyens sont disponibles.

Schéma échangeur à eau glycolée.

Le confort

Aucune plainte d’inconfort n’a été enregistrée. Des appareils de mesure ont été placés dans un des grands auditoires pour vérifier l’efficacité de la régulation. Un appareil a également été placé à l’extérieur pour connaître les conditions atmosphériques au moment où les mesures sont effectuées à l’intérieur.

 

Data logger fixé sur un baffle d’un grand auditoire.

Data logger extérieur – abri ventilé.

Le niveau de CO2 n’a jamais dépassé les 1000 ppm sauf lorsque les installations sont arrêtées (par exemple, un dimanche lorsque l’auditoire a été utilisé sans que le système de ventilation ait été mis en fonctionnement).

Concentration CO2 durant une semaine.
Le 18/06 l’auditoire a servi sans ventilation.

Concentration CO2 durant une semaine de cours
lorsque la ventilation est arrêtée.

La température de l’air est restée entre 22 °C et 25 °C pendant les périodes d’utilisation

Températures durant une semaine.

L’humidité relative de l’air a été maintenue aux environs de 50 % (entre 40 % et 60 %) durant ces mêmes périodes.

Humidité relative durant une semaine.

Les économies d’énergie

Les économies d’énergie ont été obtenues grâce à :

Une économie d’énergie électrique due à un fonctionnement réduit des groupes d’extraction et de pulsion en fonction des besoins exacts, tant en ce qui concerne le temps de fonctionnement que le débit.

Une économie en chauffage puisque, en hiver, la quantité d’air propre froid est limité aux besoins.
Les années qui viennent nous montreront les économies qui auront pu être réalisées.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée grâce à l’aide, les informations et les documents fournis par la cellule énergie et environnement du patrimoine immobilier (CEPI) de l’Université Catholique de Louvain.
Nos interlocuteurs furent Monsieur Didier Smits, Madame Céline Purnelle et Monsieur Pierre Allard.

www.uclouvain.be/cepi

Author Image Posted By : Sylvie 13 Jan, 2017

Etude de cas exemplaire (Vidéo)

Un bel exemple d’entreprise, ici une boulangerie, où l’idée de développement durable à été pensée dans sa globalité.

Author Image Posted By : Sylvie 5 Jan, 2017

Construire un mur avec les économies d’énergie

Construire un mur avec les économies d’énergie

Près de Marche-en-Famenne, l’ASBL « Village d’enfants SOS Chantevent » accueille 35 enfants au sein de 7 petits pavillons familiaux. Le village comprend également un bâtiment de loisirs et un bâtiment polyvalent (crèche, bureaux, 3 logements pour adolescents et un atelier). Devant la consommation importante d’énergie de l’ASBL, les responsables de l’institution ont décidé de réagir, notamment en motivant les enfants.

Une consommation d’énergie élevée

Dans cette institution, la facture énergétique est lourde : plus de 60 000 € par an, dont 18 000 € pour l’électricité ! Bien sûr, il y a une crèche, des locaux administratifs, des kots pour les grands ados, … mais 82 000 kWh électriques par an, c’est à peu près l’équivalent de la consommation de 20 ménages !

Soutenue par le facilitateur URE non marchand de la Région wallonne, l’équipe éducative s’attaque au problème. Le premier constat, c’est que personne ne se sentait jusque-là vraiment concerné par l’énergie… En creusant un peu, on découvre avec surprise :

  • Que le tarif moyen de 22 centimes du kWh n’est pas très avantageux. Il est rapidement renégocié et diminué de 20 %, soit un gain de plus 3 000 €/an.
  • Que la plupart des personnes présentes sur le site n’avaient pas conscience de la présence d’un compteur bihoraire …
  • …

Une campagne de sensibilisation des enfants et des éducateurs

Bien sûr, le gros de la consommation se situe dans les pavillons … Mais comment motiver des petits bouts à l’énergie, alors que même un adulte peine déjà à donner une définition de cette notion si peu concrète …

Une campagne de sensibilisation a été menée avec les enfants et les éducateurs, avec l’aide du Facilitateur Education Énergie. Elle s’est faite en plusieurs étapes :

1ère étape, connaître la consommation initiale

11 enregistreurs de courant sont placés dans les coffrets de distribution afin que chaque bâtiment puisse suivre sa consommation … et ses progrès. La consommation de mars est relevée et considérée comme la consommation de référence.

Photo enregistreurs de courant.

Exemple d’enregistreur de courant.

2ème étape, apprivoiser l’énergie

Durant une journée des vacances de Pâques, les enfants participent à des ateliers où ils apprennent notamment à :

  • raccorder une lampe,
  • allumer une led via un petit panneau photovoltaïque,
  • construire un réflecteur autour de tubes néon,
  • isoler un tuyau avec une gaine isolante,
  •  …

Ces petites activités permettent de comprendre le fonctionnement de l’énergie et à apprendre à l’économiser.

Photo activités énergie enfants.  Photo réflecteur tube néon.

Comprendre et apprendre.

3ème étape, expliquer la démarche aux éducatrices responsables des maisons

Il est clair qu’une bonne partie de la consommation se trouve dans le nettoyage et séchage du linge, ainsi que dans la cuisine (cuisson, réfrigération). Une réunion questions-réponses avec les travailleurs de l’institution est organisée pour discuter des différentes façons de faire des économies.

Les éducatrices et les enfants ont alors décidé d’adopter plusieurs gestes simples permettant de diminuer la consommation d’énergie.

4ème étape, lancer le projet construction du mur

L’idée est venue des éducatrices responsables de maison : depuis longtemps, elles demandaient que les enfants puissent se défouler en shootant des ballons contre un mur ! Faute de budget, ce projet n’avait jusqu’alors pas pu voir le jour …


Construire un mur avec des prises d’escalade au dos.

L’estimation budgétaire pour monter un mur de 175 blocs est de 350 € (équivalent à 1 890 kWh). En pratique : chaque fois que 2 € sont économisés au niveau énergétique, c’est un bloc qui est construit ! Une grande affiche format A0 visualise les blocs, à peindre au fur et à mesure de l’évolution des économies réalisées.

Des wattmètres sont distribués dans chaque pavillon pour pouvoir mesurer les consommations ainsi que des prises multiples avec interrupteur.

Chaque mois, le relevé de la consommation est fait et comparé à la référence de mars. Si les résultats sont très variables d’un pavillon à l’autre, le résultat global lui ne se fait pas attendre : en moins de 3 mois, les 350 € sont économisés ! Quant au mur, il aura été construit quelques mois plus tard.

La prochaine étape

Après avoir travaillé principalement sur la consommation d’électricité, l’institution va à présent se lancer dans la consommation de chauffage où il existe également un gros potentiel d’économie à faire.

Et la question de savoir ce qu’on fera avec les euros économisés, les projets ne manquent pas : financer la pose de prises d’escalade au dos du mur, financer un meuble spécial pour langer les nourrissons,…

Seul le directeur reste mitigé et confie avec un clin d’oeil : « Dites, les projets c’est bien, mais j’aimerais bien faire des économies financières, moi ! ».

En plus de la sensibilisation à l’URE l’asbl « Village d’enfants Sos Chantevent » a pu réaliser différentes mesures d’économie d’énergie au niveau de ses bâtiments

  • Optimalisation de la régulation et de l’intermittence du chauffage;
  • vannes thermostatiques (dont certaines vannes institutionnelles);
  • isolation du toit;
  • projet d’isolation de certains murs;
  • pose d’un réflecteur derrière les radiateurs.

En détail

Informations complémentaires

Cette étude de cas provient de la Sucess Storie réalisée en 2015 par la Facilitatrice URE Secteur non- marchand et le Facilitateur Education Énergie.

Contact :
Mme Muriel Jadoul
Facilitateur URE secteur Non-marchand
081 24 90 28
081 24 90 30
muriel.jadoul@unipso.be

Union des Entreprises à Profit Social (UNIPSO)
Square Arthur Masson 1 bte 1,
5000 Namur , Belgique
www.unipso.be

Author Image Posted By : Sylvie 3 Jan, 2017

PAINT IT GREEN : Rénovation et extension du bâtiment existant du CoRI

PAINT IT GREEN : Rénovation et extension du bâtiment existant du CoRI

Introduction

Le CoRI (Coating Research Institute) est une ASBL fondée en 1957 dans le but de stimuler l’innovation et la recherche dans le domaine des peintures, des vernis, et des revêtements. Ses bureaux et laboratoires sont situés à Limelette dans le Brabant wallon.

Le bâtiment avant les travaux.

Le bâtiment qu’ils occupent date du début des années ’60 et en 2013 était devenu vétuste et trop exigu pour la société en plein développement. Il ne répondait plus aux standards énergétiques actuels. D’autre part, la société souhaitait moderniser son image.

Il a donc été décidé de rénover complètement la partie existante et de rajouter à droite de celle-ci une nouvelle aile. Le bâtiment a ainsi vu quasiment doubler sa surface utilisable.

Les travaux ont été terminés en 2016

Le projet a été lauréat des concours :

  • Bâtiments exemplaires Wallonie 2013 organisé par la Région wallonne.
  • Green building  Solutions 2016 organisé par Construction21. (Le projet a remporté la première place dans la catégorie Énergie et climats tempérés et la seconde place dans la catégorie Smart Building.)

En plus des performances énergétiques dont il est question dans la présente étude de cas, le bâtiment a été considéré comme exemplaire en matière de gestion de l’eau, de confort, de gestion verte du chantier et de communication.

Le bâtiment

Le bâtiment d’origine comprenait des bureaux et des laboratoires. Cette partie existante a été conservée et abrite les laboratoires tandis que la nouvelle extension accueille principalement les bureaux et salles de réunion.

L’entrée principale existante a été déclassée et réaffectée à l’accès des matières et matériels. La nouvelle entrée principale se trouve dans la nouvelle partie du bâtiment, à l’angle de celle-ci avec la partie conservée.

Plan du rez-de-chaussée.

Le bâtiment existant est de type lourd. Les murs sont en maçonneries. Les planchers et la toiture plate sont en béton armé. Il n’était pas isolé avant les travaux et a été isolé par l’extérieur.

L’extension à une structure en ossature bois. Les murs porteurs intérieurs sont en maçonnerie lourde. Les cloisons non portantes sont légères, ce qui facilitera une évolution future de la surface des locaux.

Des parois extérieures bien isolées

L’ancien bâtiment n’était pas isolé. Il présentait un niveau K121. Après les travaux, il atteint un niveau K33. L’extension obtient un niveau K22.

Rénovation du bâtiment existant

Le bâtiment existant a été isolé par l’extérieur. Cela permet de conserver son inertie thermique et d’éviter les ponts thermiques. De plus, grâce à cette méthode, les risques de condensation interstitielle peuvent être facilement éliminés.

Les façades

La façade latérale est plane tandis que les façades avant et arrière présentent des colonnes saillantes. Ces colonnes sont cachées par le nouveau bardage accroché à une ossature en bois. L’isolant thermique en mousse de polyisocyanurate (PIR) est collé directement sur les parties existantes (maçonnerie de parement et colonnes en béton).

Bâtiment existant – isolation de la façade par l’extérieur.

  1. Façade existante.
  2. Fenêtre existante.
  3. Isolation thermique.
  4. Structure en bois.
  5. Bardage extérieur.
  6. Protection solaire.

Coupe horizontale à l’endroit d’une colonne extérieure.

  1. Bâtiment existant.
  2. Fenêtre existante.
  3. Isolation thermique.
  4. Structure en bois.
  5. Bardage extérieur.
  6. Protection solaire.

 

Isolant posé et pose de la structure en bois.

 

Structure en bois posée et pose du bardage.

 

Bardage posé et protections solaires posées.

 

À la base du bardage l’isolant appliqué (EPS graphité) est cimenté.

Coefficient de transmission thermique des façades.

Le coefficient de transmission thermique U de la façade existante après qu’elle ait été isolée a été calculé à l’aide du logiciel PEB.

Ce logiciel doit être utilisé dans le cadre des demandes de permis d’urbanisme en Wallonie. Il applique les règles de calcul en vigueur.

La valeur obtenue est U = 0.22 W/m²K. Cette valeur est inférieure à la valeur maximale admissible pour les murs qui est actuellement Umax = 0.24 W/m²K.

Les couches de la paroi sont reprises de l’extérieur vers l’intérieur :

Le bardage lui-même n’est pas pris en compte, car la couche d’air qui se trouve derrière est fortement ventilée.

  1. La couche d’air fortement ventilée située derrière le bardage n’offre aucune résistance thermique. Toutefois, elle a un impact sur la résistance thermique d’échange superficiel de ce côté de la paroi qui sera plus importante : 0.13 m²K/W au lieu de 0.04 m²K/W.
  2. L’isolant thermique (UNILIN / Utherm Wall) possède un agrément technique valable qui confirme son coefficient de conductivité thermique utile λU = 0.023 W/mK. Son épaisseur est de 10 cm.
    Le calcul de la résistance thermique de la couche isolante tient également compte de l’impact des fixations qui la traversent.
  3. La maçonnerie de parement est constituée de briques et de joints. Ces deux matériaux ont des coefficients de conductivité thermique utiles différents. λU = 0.81 W/mK pour la brique et λU = 0.93 W/mK pour le mortier. Ces deux valeurs sont prises en compte pour le calcul de la résistance thermique de la couche en fonction de la fraction de joint.
  4. La couche d’air verticale entre le mur porteur et le parement est non ventilée. Sa résistance thermique est déterminée par la réglementation PEB.
  5. La résistance thermique de la maçonnerie en blocs de béton pleins a été calculée de la même manière que la maçonnerie de parement : couche n° 3.

Les fenêtres

Les fenêtres ont été remplacées récemment et présentent des performances thermiques satisfaisantes : double vitrage avec U = 1.1 W/m²K et châssis en aluminium à coupure thermique. Elles ont été conservées.

Fenêtre conservée.

Afin de limiter le pont thermique à la jonction façade-fenêtre, l’isolation crée une battée sur les châssis existants. Les châssis sont à fleur avec le parement en briques, ce qui rend très simple la réalisation de la battée. Le noeud constructif n’est cependant pas PEB conforme car la coupure thermique du châssis n’est pas en contact avec l’isolant.

Raccord isolant-châssis.

La toiture plate

La toiture existante a été conservée et isolée par au-dessus (toiture chaude). L’étanchéité existante a été maintenue en place et fait office de pare-vapeur.

Une nouvelle étanchéité a été placée sur un panneau de laine de roche de 16 cm d’épaisseur. Le coefficient de transmission thermique obtenu est U = 0.21 W/m²K. Cette valeur est inférieure à la valeur maximale admissible pour les toitures qui est actuellement Umax = 0.24 W/m²K.

Afin d’éviter les ponts thermiques à la jonction façade-toiture, les acrotères seront emballées d’isolant.

Raccord toiture plate – façade.

  1. Bâtiment existant.
  2. Étanchéité existante conservée.
  3. Nouvelle isolation thermique.
  4. Nouvelle membrane d’étanchéité.
  5. Continuité de la couche isolante.
  6. Structure en bois.
  7. Bardage extérieur.
  8. Isolation thermique de la façade.

 

La nouvelle toiture plate sur le bâtiment existant.

Le plancher inférieur et les parois en contact avec le sol

Une partie du bâtiment se trouve au-dessus d’un vide sanitaire. Le plancher situé au-dessus de ce vide sanitaire sera isolé par-dessous.

Le bâtiment est isolé du vide ventilé.

Par contre, les planchers et les murs contre terre ne sont pas isolés. Ces travaux représenteraient un coût très élevé, car les locaux secondaires du sous-sol n’ont pas besoin d’être rénovés. De plus l’épaisseur de sol que doit traverser la chaleur pour arriver jusqu’à l’air extérieur limite fortement la déperdition thermique. Rappelons-nous que la résistance thermique d’une couche de matériau dépend non seulement de son coefficient de conductivité thermique, λ mais aussi de son épaisseur qui dans le cas du sol est importante.

Nouvelle extension du bâtiment

L’enveloppe extérieure de l’extension du bâtiment a été réalisée avec une structure à ossature bois. Cette technique permet de placer une grosse épaisseur de matériau isolant sans que les parois soient trop épaisses. La gestion des ponts thermique est d’autre part facilitée par l’usage du bois qui sans être un matériau isolant possède néanmoins un coefficient de conductivité thermique λ beaucoup plus bas que celui de la plupart des autres matériaux de structure (brique, béton, acier, …). L’inconvénient de cette technique est la faible inertie thermique de ces parois, ce qui ne facilite pas la maîtrise de la surchauffe. Les parois et chapes intérieures sont réalisées partiellement en matériaux lourds ce qui augmente toutefois l’inertie thermique.

Coupe transversale de l’extension.

Les façades

Les façades sont constituées d’une ossature bois large de 22 cm formant des caissons dans lesquels de la cellulose a été insufflée. Les caissons sont fermés, du côté intérieur, par un panneau OSB de 18 mm d’épaisseur assurant l’étanchéité à l’air ainsi que le contreventement de la structure et, du côté extérieur, par un pare- pluie en fibre de bois de 16 mm d’épaisseur.

Un espace technique de 5 cm d’épaisseur est réservé entre le panneau OSB et la finition intérieure constituée de deux plaques de plâtre superposées de 15 mm d’épaisseur. L’espace technique est rempli de laine de bois ce qui renforce encore les performances thermiques de la paroi. Pour rappel, cet espace technique permet d’y faire passer des installations encastrées sans percer le panneau OSB qui fait office de barrière d’étanchéité à l’air.

Du côté extérieur, la façade est recouverte d’un bardage en plaques de laine de roche compressée  laquée.

Extension – Ossature bois isolée.

  1. Finition intérieure : plaque de plâtre 2 x 15 mm.
  2. Espace technique : chevrons + laine de bois 5 cm.
  3. Contreventement et étanchéité à l’air : panneau OSB 18 mm.
  4. Ossature bois 22 cm + isolation cellulose insufflée.
  5. Pare-pluie : fibres de bois 16 mm.
  6. Vide fortement ventilé : lattage vertical.
  7. Bardage extérieur : panneaux en laine de roche compressée.

Mise en place de la structure en bois.

Le pare pluie est posé.

Ouvertures dans les panneaux OSB pour insufflation de la cellulose
et chevrons de 5 cm pour réalisation de l’espace technique.

L’isolant (fibres de bois) de l’espace technique en cours de pose.

Pose du bardage extérieur.

Coefficient de transmission thermique des nouvelles façades.

Comme pour la façade du bâtiment existant, le coefficient de transmission thermique U de la façade de l’extension a été calculé à l’aide du logiciel PEB.

La valeur obtenue est U = 0.17 W/m²K. Cette valeur est inférieure à la valeur maximale admissible pour les murs qui est actuellement Umax = 0.24 W/m²K.

Les couches de la paroi sont reprises de l’extérieur vers l’intérieur :

Le bardage lui-même n’est pas pris en compte, car la couche d’air qui se trouve derrière est fortement ventilée.

  1. La couche d’air fortement ventilée située derrière le bardage n’offre aucune résistance thermique. Toutefois, elle a un impact sur la résistance thermique d’échange superficiel de ce côté de la paroi qui sera plus importante : 0.13 m²K/W (Rsi) au lieu de 0.04 m²K/W (Rse).
  2. Le pare-pluie (SPANOTECH RWH) possède un agrément technique valable qui confirme son coefficient de conductivité thermique utile λU = 0.1 W/mK. Son épaisseur est de 16 mm.
  3. Le calcul de la résistance thermique de la couche principale (ossature bois) tient compte de la présence combinée du bois (λU = 0.13 W/mK) et de la cellulose (λU = 0.038 W/mK).
  4. Le panneau OSB a un coefficient de conductivité thermique utile λU = 0.13 W/mK. Son épaisseur est de 18 mm.
  5. Le calcul de la résistance thermique de l’espace technique tient compte de la présence combinée des chevrons en  bois (λU = 0.13 W/mK) et de la laine de bois STEICO FLEX (λU = 0.038 W/mK).
  6. Les deux plaques de plâtre enrobé ont chacune une résistance thermique R = 0.050 m²K/W (valeurs par défaut de la réglementation PEB).

Les fenêtres

Les nouvelles fenêtres sont en aluminium avec coupure thermique munie d’un double vitrage avec intercalaire isolant (Warm-Edge).

Les coefficients de transmission thermique sont les suivants :

Vitrage -> Ug = 1.0 W/m²K

Fenêtre -> Uw = 1.3 W/m²K

A l’époque des travaux

Ug devait être inférieur à 1.3 W/m²K

Uw devait être inférieur à 2.0 W/m²K

Les vitrages ont un facteur solaire g = 0.53, sauf ceux qui sont orientés au Sud qui ont un facteur solaire g = 0.28 de manière à réduire les apports solaires et diminuer ainsi la surchauffe durant la saison chaude.

Nouvelle fenêtre.

La coupure thermique dans le châssis en aluminium de la porte d’entrée. (seuil « suisse »)

Les châssis sont placés dans l’épaisseur de l’ossature de façon à créer une continuité entre l’isolation de la façade et la coupure thermique dans le châssis.

La toiture plate

La toiture réalisée est ce que l’on appelle une toiture compacte. Il s’agit d’une toiture plate dont l’isolant est placé à l’intérieur du support en bois sans lame d’air entre les différentes couches.

Un écran pare-vapeur étanche à l’air doit être placé sous le support.

Il ne s’agit pas d’une toiture froide, car pas d’espace ventilé entre l’isolant et la membrane d’étanchéité.

La toiture compacte.

  1. Membrane TPO.
  2. Panneau OSB 22 mm.
  3. Cales de pente + cellulose.
  4. Gîtage en bois + cellulose 22 cm.
  5. Frein-vapeur souple.
  6. Lattage.
  7. Finition intérieure.

Le coefficient de transmission thermique obtenu est U = 0.14 W/m²K. Cette valeur est nettement inférieure à la valeur maximale admissible pour les toitures qui est actuellement Umax = 0.24 W/m²K.

La réalisation de ce type de toiture est très délicate. Un grand nombre de règles doivent être respectées. La mise en œuvre doit être très soignée.

Des simulations hygrothermiques ont été réalisées pour déterminer les caractéristiques du frein-vapeur à mettre en œuvre et s’assurer de la sécurité de la construction. Cela a été réalisé par des spécialistes, car il y a énormément de paramètres à déterminer à entrer dans le calcul. De plus et il est parfois très difficile d’interpréter correctement les résultats finaux.

On a tenu compte pour le calcul à l’aide du logiciel WUFI ®, des caractéristiques de la membrane d’étanchéité, de la classe de climat intérieur dans le bâtiment et de l’absence d’ombrage sur la toiture.

L’élément de toiture a été contrôlé avec l’utilisation du pare-vapeur prévu posé de manière durement étanche à l’air. Le potentiel d’assèchement du panneau OSB a été simulé sur 6 années. Il est ainsi constaté que la courbe est descendante et la teneur en eau maximale ne dépasse pas 20 %. Le choix du frein-vapeur est donc approprié.

Simulation sur 6 années du potentiel d’assèchement (WUFI ®).

Raccord toiture plate – façade.

La toiture plate sur le nouveau bâtiment.

Le frein vapeur avec les lattes de fixation prêtes
à recevoir le faux plafond.

Le plancher inférieur en contact avec le sol

Le plancher posé sur le sol est isolé par 12 cm de mousse de polyuréthane (PUR) projeté. L’isolant est posé sur a dalle de sol en béton armé. Il est recouvert par une chape de béton armé lissé.

Composition du plancher.

  1. Sol.
  2. Géotextile.
  3. Empierrement.
  4. Sable stabilisé.
  5. Dalle de sol en béton armé 20 cm.
  6. PUR projeté 12 cm.
  7. Chape de béton armé lissé.

Pied de la façade.

  1. Bloc de béton cellulaire servant d’assise à l’ossature.

Informations complémentaires

    L’architecte et le maître d’ouvrage vous parlent de leur bâtiment.

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le bureau d’architecture ayant conçu le bâtiment.

Bureau d’architecture helium3

Notre interlocuteur fut Madame Aurélie Piette, ingénieur-architecte.

Author Image Posted By : Sylvie 9 Déc, 2016

AEROPOLIS II – des façades-rideaux performantes

photo, AEROPOLIS II

Introduction

Cet immeuble situé dans la commune de Schaerbeek (Région Bruxelles–Capitale) a été réalisé entre 2008 et 2010 par différentes ASBL de la Région désireuses de rassembler leurs bureaux dans un même bâtiment. Ses performances énergétiques poussées en ont fait à l’époque le plus grand projet de bureaux en Belgique conçu selon le standard passif. Il a été récompensé en 2007 par le label bâtiment exemplaire de Bruxelles Environnement pour ses qualités en matière d’environnement et d’économie d’énergie.

– Architecte : Architectesassoc./Sabine LERIBAUX & Marc LACOUR.
– Chef de projet : Elodie Léonard.

logo Bâtiment exemplaire

Le bâtiment

Le bâtiment a une forme simple et compacte adaptée aux dimensions du terrain. Il possède un patio en son centre apporte de la luminosité pour tous les espaces de bureaux.

Plan AEROPOLIS II

Implantation sur le terrain (source Architecte).

Il est affecté principalement à la fonction de bureaux. 7 300 m² sont répartis sur 6 étages hors sol. Il possède également deux étages en sous-sol utilisés comme garages et réserves d’archives et abritant tous les locaux techniques.

Photo AEROPOLIS II

Un bâtiment compact (source Google Maps).

La superstructure du bâtiment est en béton armé préfabriqué (colonnes, poutre, dalles). Quelques voiles en béton assurent la triangulation verticale. Les espaces intérieurs sont ainsi très dégagés et permettent de nombres possibilités d’aménagements.

Photo chantier AEROPOLIS II

La structure en béton (source BE).

Les façades rideaux sont constituées de cadres en bois massif (essence douglas, bois indigène provenant de l’Ardenne belge) préfabriqués accrochés à la structure en béton. Ces cadres sont autoporteurs. Ils ont la hauteur d’un étage et correspondent en largeur à la trame de façade (90 cm).

Photo façade rideau AEROPOLIS II

La façade rideau (source BE).

La façade rideau

La modulation

La trame intérieure du bâtiment est basée sur des axes distants de 2.70 m (= largeur minimale d’un bureau). Des axes intermédiaires divisent cet entraxe en trois parties égales de 0.90m.

Les éléments de façade ont des dimensions adaptées à cette trame. Ils ont une largeur de 0.90 m.
Trois modules de base différents ont été conçus.

  • Largeur complètement vitrée (fenêtre fixe);
  • largeur vitrée sur 2/3 de la largeur totale (fenêtre fixe + projetant extérieur en partie haute);
  • largeur complètement opaque.

Les modules partiellement vitrés et les modules opaques sont visuellement divisés en modules de 30 et 60 cm. Ils peuvent être gauches ou droits.

modules partiellement vitrés, AEROPOLIS II

Les trois différents modules (source Belgo Métal / Kyotec Group).

Les modules sont alternés de manière à éviter tout systématisme visuel à la façade tout en permettant à l’intérieur un cloisonnement souple et efficace des bureaux. Les façades des zones bureaux sont constituées de l’alignement de chacun des trois éléments. Sur 2.70 m on retrouve donc systématiquement un élément plein, un élément vitré et un élément semi-vitré permettant la ventilation.

Plan façade, AEROPOLIS II

La répétition n’est pas visible.

Les modules

Composition des modules préfabriqués, parties opaques :

  1. structure porteuse en bois massif (essence douglas);
  2. panneau multiplex perforé;
  3. isolant phonique (20 mm, laine de roche);
  4. membrane étanche à l’air;
  5. isolant (150 mm, Resol3);
  6. panneau de contreplaqué marin (ou bakellisé);
  7. panneau isolant (50 mm, Résol);
  8. tôle;
  9. couche de verre translucide blanc;
  10. exutoires de ventilation horizontaux et verticaux;
  11. étanchéité à l’air (bandes préformées en EPDM);
  12. parclose en aluminium anodisé.

schéma - Composition des modules préfabriqués, AEROPOLIS II

Module opaque.

  1. protection solaire extérieure automatique (persienne);
  2. moustiquaire.

 schéma - Composition des modules préfabriqués, AEROPOLIS II

Module semi-vitré.

schéma - Composition des modules préfabriqués, AEROPOLIS II

Module vitré.

Les éléments sont livrés sur chantier complets sauf le panneau de finition intérieure fragile en multiplex perforé avec son isolation. Il est posé lorsque l’élément est déjà mis en place. De cette manière, cette finition reste intacte malgré les aléas liés à la manipulation des éléments.

Photo éléments, AEROPOLIS II

Le panneau intérieur placé en fin de chantier.

Les fixations

Les éléments sont autoportants. Ils sont suspendus en partie haute et reposent en partie basse sur une lisse de départ ou sur les éléments de l’étage inférieur.

Photo fixations, AEROPOLIS II  Photo fixations, AEROPOLIS II

Les platines de fixation (source BE).

Les plaques de fixation sont boulonnées au béton. Des œillets dans la plaque permettent un réglage horizontal de la plaque dans les deux directions. Un étrier est suspendu à la plaque. Il peut être réglé verticalement à l’aide d’écrous. Sur l’étrier reposent des cornières fixées en usine aux cadres des éléments de la façade. Les étriers coulissent verticalement dans des évidements en forme de « L » réalisés dans la plaque de support.

Schéma plaques de fixations, AEROPOLIS II

Schéma de principe des fixations réglables.

Photo plaques de fixations, AEROPOLIS II

La pose des premiers cadres (source BE).

L’étanchéité à l’air

L’étanchéité à l’air entre modules est assurée par des bandes préformées en EPDM insérées dans des rainures verticales et horizontales creusées dans les montants et traverses des cadres en bois.

Les bandes horizontales sont munies d’une bavette en pente vers l’extérieur.

L’étanchéité à l’air des éléments de façade complets et totalement parachevés a été contrôlée en laboratoire sur un banc d’essai. L’étanchéité à l’air du bâtiment a ensuite été vérifiée sur chantier.

Photo étanchéité, AEROPOLIS II

Bandes d’étanchéité verticales en place.

  1. Rainure pour bande d’étanchéité verticale;
  2. bande d’étanchéité horizontale avec bavette.

Photo étanchéité, AEROPOLIS II

Étanchéité entre les cadres de la façade rideau (source BE).

Les performances thermiques

Le projet répond à l’exigence du standard passif.
Les parties opaques de la façade-rideau ont une valeur U moyenne d’environ 0.17 W/m²K tandis que les parties vitrées ont une valeur U moyenne d’environ 0.82 W/m²K. Le U moyen est de 0.29 W/m²K.

La compacité élevée du bâtiment (3.76) permet à celui-ci d’obtenir un niveau d’isolation thermique global K égal à 15.

Schéma niveau isolation, AEROPOLIS II

Calcul de la déperdition thermique des encadrements (source Kyotec Group).

Une bonne étanchéité à l’air

Le blower-door test effectué sur le bâtiment a montré que le renouvellement d’air à 50 Pa (n50) était inférieur à 0.46/h. Cette valeur est meilleure que celle exigée pour les bâtiments passifs : n50 < 0.60/h.
Ce résultat a été obtenu grâce à la conception des éléments et à la qualité de leur fabrication en atelier.
Les tests d’étanchéité exigés pour les façades-rideaux de type « cadre » permettent d’atteindre une bonne étanchéité à l’air (niveau requis suivant les normes européennes).

Les bandes d’étanchéité en EPDM entre les cadres ont été correctement placées sur chantier.

Photo blower-door test, AEROPOLIS II

Test d’étanchéité après installation (source BE).

La maîtrise des risques de surchauffe

Les bâtiments de bureaux, de par la présence des équipements électriques (éclairage et électronique), sont sujets à un important risque de surchauffe en été. Dans le cas présent, différents systèmes ont été mis en œuvre pour maîtriser ce risque sans avoir recours  à une climatisation active.

Schéma maîtrise de la surchauffe, AEROPOLIS II

Gestion de la surchauffe (sources Architecte et Cenergie).

  1. Régulation fine de l’éclairage basée sur les besoins
    Les appareils d’éclairage sont couplés à des sondes de régulation pour compensation des manques de lumière jour et à des détecteurs de présence.
  2. Luminaires à haut rendement
    Consommation inférieure à 2 W/m² pour 100 lux.
  3. Masse accessible
    Il n’y a pas de faux plafond et les faux planchers servent de plénum pour l’air neuf. La masse des planchers en béton est ainsi accessible et permet un déphasage dans les variations thermiques. Cette masse est refroidie la nuit par la ventilation de nuit (free cooling).
  4. Surface limitée des vitrages (concerne les façades-rideaux)
    Il n’y a pas de grandes surfaces vitrées. Un juste compromis a été trouvé entre l’avantage d’un éclairage naturel et une limitation des apports solaires dans un bâtiment de bureau où le risque de surchauffe lié aux apports internes est grand.
  5. Protections solaires automatiques extérieures réglables (concerne les façades-rideaux)
    Les fenêtres sont équipées de stores à lamelles inclinables commandées automatiquement par un système de régulation connecté à diverses sondes (vent, ensoleillement, températures intérieures et extérieures).
    Lorsque la fenêtre s’ouvre (vers l’extérieur) le store a été avancé par rapport au plan de la façade de manière permettre la manœuvre de celle-ci sans risque d’accrochage.

Photo façade, AEROPOLIS II

Les protections solaires automatiques.

  • Les lamelles sont horizontales en position standard. Lorsque nécessaires, elles sont inclinées en fonction de la position du soleil. Les lamelles sont manœuvrées lorsque la température intérieure dans la zone concernée dépasse la température conventionnelle de confort (23.5 °C) et que le rayonnement solaire en fonction de l’orientation dépasse la valeur conventionnelle de 100 W/m². Lorsqu’il y a risque de gel.
    La position est ajustée toutes les 15 minutes.
  1. Free cooling automatique de nuit (concerne les façades-rideaux)
    La ventilation nocturne s’effectue par aspiration de l’air frais le soir à l’intérieur des bureaux, via les ouvrants des fenêtres (projetant extérieur) manœuvrés automatiquement. L’air est extrait en toiture.
    A l’endroit des fenêtres ouvrant vers l’extérieur le store a été écarté pour permettre la manœuvre de la partie mobile. Le système présente des risques d’effraction faibles.

Photo free-cooling, AEROPOLIS II

Le haut du châssis en position ouverte pour la ventilation.

  1. Puits canadien
    En été, pendant la journée, l’air neuf parcourt 45 mètres sous terre dans un puits canadien avant de pénétrer dans le bâtiment. Il est ainsi rafraîchi par le sol dont l’inertie thermique maintient la température nettement en dessous de la température de l’air extérieur. Le puits canadien est réalisé à l’aide de 4 tubes en béton de grand diamètre (+/- 70 cm) suffisamment distants les uns des autres pour solliciter la fraîcheur d’un maximum de sol.

Schéma puits canadien, AEROPOLIS II

Photo puits canadien, AEROPOLIS II       Photo puits canadien, AEROPOLIS II

Le puits canadien (sources Architecte et BE).

L’efficacité des mesures passives adoptées

Des mesures ont été effectuées en plein été 2010. Elles montrent l’impact des systèmes adoptés sur la température. Le graphique ci-dessous indique la température mesurée à l’intérieur du 4ème étage entre le 21 et le 28 juillet 2010.

Le bâtiment est refroidi chaque matin grâce à la ventilation intensive de nuit. Ce refroidissement a été moins efficace la nuit du 21 au 22 juillet car la température extérieure est descendue moins bas. La journée la température est stabilisée grâce aux protections solaires, à l’inertie thermique du bâtiment, à la ventilation diurne faisant usage des puits canadiens.

Schéma sur l' efficacité des mesures passives, AEROPOLIS II

Température intérieure au 4ème étage en été (source Architecte et Cenergie).

  1. refroidissement nocturne;
  2. température haute la nuit;
  3. stabilisation de la température en journée.

Le tableau ci-dessous indique que si l’on interrompt la ventilation de nuit, la température est stable, mais élevée, ce qui démontre l’efficacité la stratégie de décharge nocturne.

Schéma sur l' efficacité des mesures passives, AEROPOLIS II

Courbes des températures lorsqu’il n’y a pas de ventilation intensive de nuit.

(source Architecte et Cenergie).

  1. ventilation de nuit active;
  2. ventilation de nuit inactive.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée grâce aux informations  fournies par le bureau d’architecture ayant conçu le bâtiment.

Architectesassoc. M. Lacour – S. Leribaux

Notre interlocuteur fut Madame Élodie Léonard, chef de projet.
Téléphone : 02/410 76 77 – Email : info@architectesassoc.be – Site : www.architectesassoc.be

Author Image Posted By : Sylvie 4 Août, 2016

150 m² de capteurs solaires thermiques à la résidence 3ème âge Aux Lilas de Bonlez

Introduction

Située au cœur du village de Bonlez, à proximité de Wavre et de Louvain la Neuve, la maison de repos « Aux Lilas » accueille 52 résidents dans 40 chambres individuelles et 6 chambres doubles réparties sur 2 étages.

Totalement rénovée récemment, le choix a été fait de couvrir 100 % de ses besoins en chaleur grâce aux technologies renouvelables.

  • 60 % à 70 % de la préparation de l’eau chaude sanitaire est assurée par des capteurs solaires, le reste par la chaudière du chauffage central.
  • Le chauffage central du bâtiment est assuré par une chaudière à pellets. Le système de chauffage est décrit dans l’étude de cas : 100 % de chaleur verte à la résidence 3ème âge Aux Lilas de Bonlez.

L’installation de chauffage solaire et la chaufferie sont situées dans deux locaux séparés.

Choix de la technologie

Il existe deux types de circuits primaires dans les capteurs solaires thermiques : le système classique, sous pression et le système à drainage gravitaire.

Le système classique sous pression comprend entre autres un vase d’expansion et une soupape de sécurité et de vidange manuelle avec recueil des fluides évacués. Il ne se vidange pas à l’arrêt de la pompe. Le liquide reste dans les capteurs, surchauffe, se vaporise et se détériore avec le temps. De plus, l’utilisation d’antigel dans le fluide solaire est nécessaire, car en hiver, par temps clair, la température des capteurs peut descendre fortement sous 0 °C.
La surchauffe limite techniquement le dimensionnement à environ 40 % à 45 % de fraction solaire (pourcentage d’économie pouvant être réalisé). Ce système nécessite une maintenance plus importante. Il est le seul utilisable lorsqu’il n’est pas possible d’éviter les contre-pentes dans le circuit.

Système classique sous pression.

Le système basé sur le drainage gravitaire (drainback), va permettre aux capteurs solaires de se vidanger de façon naturelle et passive à chaque arrêt de la pompe de circulation. Le fluide est ainsi à l’abri des surchauffes et du gel. Le circuit ne peut évidemment pas présenter la moindre contre-pente.
Ce circuit est rempli partiellement d’air et de fluide solaire. La régulation ordonne à la pompe de fonctionner dès le moment où elle perçoit que de l’énergie solaire peut être délivrée aux ballons d’eau sanitaire. Une fois les ballons à température ou lorsque l’apport énergétique délivré par les capteurs est devenu insuffisant, la pompe est mise à l’arrêt. Le fluide contenu dans les capteurs redescend par gravité dans le réservoir de drainage placé en chaufferie. Il prend la place occupée par l’air qui remonte naturellement vers les capteurs. Les capteurs sont alors hors gel et hors surchauffe. Au contraire du fluide dans un système sous pression, l’air peut être chauffé et comprimé sans se dégrader de façon irréversible et sans endommager le reste de l’installation.

Système à drainage gravitaire.

A Bonlez, c’est le système à drainage gravitaire qui a été placé. Grâce à cela, une plus grande surface de capteurs solaires a pu être installée sans risque de surchauffe.

Les apports solaires dépendent de la surface des capteurs solaires. Le graphique ci-dessus montre bien que l’augmentation de la surface de capteurs permise grâce au système gravitaire fait passer la fraction solaire de 40-45 % à 60-70 %.

Choix de la surface optimale

L’énergie nécessaire pour chauffer l’eau chaude sanitaire de la maison de repos est de : 67 240 kWh par an.

Plus on place de surface de capteur solaire, plus on couvrira une partie importante du besoin en énergie avec de l’énergie solaire, plus le coût de l’installation augmentera également.

Des simulations sont effectuées pour différentes surfaces de capteurs et différents volumes de stockage pour déterminer pour chacune d’elle l’apport solaire total annuel et donc la fraction solaire.

 

Fraction solaire en fonction de la surface du capteur.

Résultat des simulations.

Les aides publiques favorisant l’installation d’un système solaire thermique en Région wallonne étant liées au nombre de lits, la courbe du coût total du chauffage de l’eau de l’eau sur 20 ans possède un point bas marqué pour environ 200 m² de capteurs solaires.

Coût total pour chauffer l’eau sur 20 ans.

Ce point bas reste le même pour les trois scénarios de l’évolution de l’énergie.

  • Scénario 1 : le prix du pétrole évolue comme il l’a fait les 15 dernières années.
  • Scénario 2 : le prix du pétrole évolue un peu moins.
  • Scénario 3 : le prix du pétrole évolue beaucoup moins.

Influence du prix du pétrole sur le coût total.

Le choix du client

Le client a choisi une installation de dimensions légèrement inférieures à l’optimum pour réduire son investissement de départ tout en conservant une fraction solaire élevée. La surface des capteurs correspond également à la surface disponible en toiture ce qui optimise les coûts.

Le tableau ci-dessous compare pour le scénario 1 (le prix du pétrole évolue comme il l’a fait les 15 dernières années) les résultats pouvant être théoriquement atteints en fonction des différents choix :

  • sans solaire;
  • système solaire classique;
  • système solaire optimum;
  • système solaire choisi par le client.

Le client a choisi une installation de dimensions légèrement inférieures à l’optimum pour réduire son investissement de départ tout en conservant une fraction solaire élevée.

L’installation réalisée

Schéma de l’installation telle qu’elle a été réalisée.

5 lignes de 12 capteurs de 2.5 m² ont été installées, pour une superficie totale de 150 m².

Les capteurs solaires.

Il y a 7 réservoirs de stockage.

Les réservoirs de stockage.

Un échangeur à plaque est placé entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Le système du circuit primaire est à drainage gravitaire. Un réservoir de drainage isolé thermiquement de 400 litres recueille le fluide du circuit primaire lorsque le système est à l’arrêt.

L’échangeur thermique entre le circuit primaire et le circuit secondaire.

L’eau chaude sanitaire est chauffée par le système solaire thermique grâce à un échangeur à plaques.

L’échangeur à plaque pour le chauffage de l’ECS.

Le boiler pour l’eau chaude sanitaire est situé dans la chaufferie. Le système central du chauffage assure l’appoint nécessaire en cas d’insuffisance solaire.

Le boiler ECS.

Bilans

Bilan énergétique

Les simulations ont montré que la fraction solaire utile est de 63.1 %.
L’énergie économisée par an est de 67 265 kWh x 0.631 = 42 444 kWh.
Cette énergie fournie chaque année par le rayonnement solaire ne doit pas être produite par la chaufferie.

  • 95 % de cette énergie aurait été produite par la chaudière à pellets : 40 322 kWh.
  • 5 % de cette énergie aurait été produite par la chaudière d’appoint au mazout : 2 122 kWh.

Le rendement de la chaudière à pellets étant de 90 %, l’énergie consommée par celle-ci aurait été de 40 322 kWh / 0.90 = 44 802 kWh extraits de la biomasse.

Le rendement de la chaudière à mazout étant de 96 %, l’énergie consommée par celle-ci aurait été de 2 122 kWh / 0.96 = 2 210 kWh extraits d’un combustible fossile.

Gain économique

Au prix du mazout de 2016, soit environ 0.53 €/l (tarif 14/06/2016), le gain économique annuel sur la facture de mazout, consécutif à l’installation du système solaire est d’environ 117.00 €.

Au prix des pellets de 2016, soit environ 0.25 €/kg, le gain économique annuel sur la facture de pellets, consécutif à l’installation du système solaire est d’environ 2016.00 €.

Le gain économique total est donc de 2 133.00 €/an. correspondant à une réduction de la facture de 63 % pour la production d’ECS.

L’avantage économique majeur du système solaire réside dans le prix constant du kWh solaire. Alors que, pour les énergies fossiles ou issues de la biomasse, les scénarios les plus réalistes tablent sur une augmentation des prix de l’énergie dans le futur. Il va de soi que si le prix du combustible double, l’économie financière réalisée est également doublée.

Bilan environnemental

Émissions de CO2 évitées

Chauffer l’eau avec le soleil diminue d’autant la production de CO2. Même si l’énergie utilisée pour chauffer l’eau avait été produite à partir de pellets dont la combustion est censée ne pas produire de CO2 , ceux-ci auraient pu être utilisés ailleurs. La seule production de CO2 proviendrait de la combustion du mazout utilisé comme combustible d’appoint en remplacement des pellets.

Dans ce home, la combinaison du chauffage solaire pour l’ECS avec un appoint produit par la biomasse est particulièrement favorable à la préservation du climat.

Autres Impacts

Les autres impacts positifs d’un tel projet résident dans la visibilité du système solaire, rejaillissant sur l’image « durable » de la maison de repos Aux Lilas.

Partenaires du projet et contacts

Cette étude de cas a été rédigée à l’aide des informations fournies par les entreprises qui ont mis en place les installations et du facilitateur Énergie Solaire Thermique.

  • Service Facilitateur Energie Solaire Thermique – Grands Systèmes – Région wallonne
    Monsieur Bernard HUBERLANT
    FacSolthermWallonie@3E.eu

 

Author Image Posted By : Sylvie 4 Août, 2016

Régulation simplifiée au lycée La Retraite à Bruxelles

Régulation simplifiée au lycée La Retraite à Bruxelles

L’école

L’école La retraite qui accueille chaque jour près de 530 élèves à Bruxelles. On distingue deux bâtiments principaux : le plus ancien de 3 500 m² construit aux environs des années 1880 et un second de 940 m² construit en 1995. Ces deux bâtiments ont chacun un système de chauffage distinct. Le plus grand des deux, le plus ancien, avait un chauffage central au mazout qui a été remplacé par un chauffage central au gaz. Il fera l’objet de ce document.

Le programme PLAGE

En 2009, Bruxelles Environnement a lancé le programme « PLAGE écoles » ou Programme Local d’Action de Gestion de l’Énergie pour une durée de 4 ans.

Il s’agissait d’établir un cadastre énergétique des écoles de Bruxelles et d’aider un échantillon d’établissements à mettre en place une politique d’utilisation rationnelle de l’énergie et à se réapproprier la question énergétique, plus souvent « subie » que réellement « gérée ».

Cette mission consistait à définir une méthode centrée sur l’URE et à accompagner les acteurs dans cette démarche, sur quatre années.

Sur l’ensemble des écoles étudiées pour le réseau du SeGEC, seulement vingt ont été définies comme étant prioritaires, soit 10 % des implantations scolaires de ce réseau. Malheureusement, bien qu’il ait été auditionné, le lycée La Retraite n’en faisait pas partie. Il a pu cependant bénéficier d’un accompagnement et de conseils dans sa démarche de rénovation.

Description de l’ancienne installation

photo aérienne bâtiment.

Schéma de principe de l’installation

L’ancienne installation de chauffage comprenait une chaudière à mazout unique et un réseau de distribution classique. Les corps de chauffe sont du type radiateur.

Schéma de principe de l’ancienne installation de chauffage du Lycée « La Retraite ».

À la production, on trouvait  une chaudière au mazout de 450 kW avec un brûleur à deux allures.

L’installation était simple et la consommation relativement faible, mais au détriment du confort.

De plus, la chaudière, peu performante était en mauvais état et tombait souvent en panne. L’installation contenait de l’amiante. La citerne à mazout était ancienne et encombrante. Une odeur de mazout flottait dans les caves. L’impact environnemental était loin d’être idéal.

Il a donc été décidé de rénover la chaufferie.

Choix de la nouvelle installation

Une installation est traditionnellement pilotée au moyen d’une régulation numérique relativement complexe connectée à diverses sondes. Souvent des nouvelles installations sont calquées sur ce modèle complexe de régulation (cf. schéma ci-dessous).

 

Schéma d’une installation classique de chauffage avec production d’eau chaude sanitaire.

Dans les écoles, la mise en service d’une telle installation présente certaines inconvénients et difficultés.

  • Comment choisir un local témoin pour placer les sondes de compensation au Sud ? Dans les classes, la présence des élèves modifie rapidement la température de l’air. Dans le local témoin, cette température est détectée par la sonde qui agit sur les vannes mélangeuses. Mais, toutes les classes ne sont pas occupées en même temps de la même manière et ne demandent donc la même chaleur. La régulation est donc faussée.
  • La demande en eau chaude sanitaire n’est pas synchronisée avec la demande en chaleur. Elle existe également en été. Elle nécessite aussi temporairement de l’eau à une température plus élevée, ce qui n’est pas favorable au rendement des chaudières à condensation.
  • La régulation est complexe et peu intuitive (effet de boîte noire). Elle nécessite aussi des réglages en début de fonctionnement. Le chauffagiste sous-traite souvent cette régulation au fabricant… qui ne connaît pas bien le bâtiment.  Les réglages risquent d’être mauvais, le rendement de l’installation ou le confort diminuent. Dans le pire des cas, la régulation finit par être mise en mode manuel avec toutes les conséquences néfastes que l’on peut imaginer pour le rendement.

Installation traditionnelle existante (conservée) dans le bâtiment de 1995.

Il a donc été décidé de réaliser une installation simplifiée possible grâce aux évolutions techniques apparues ces dernières années.

  • La préparation de l’eau chaude sanitaire sera réalisée par une production indépendante décentralisée.
  • Les radiateurs seront équipés de vannes thermostatiques.
  • La température de la chaudière sera modulée en fonction de la température extérieure (régulation climatique).
  • Des vannes à trois voies motorisées pour régler la température des boucles secondaires ne sont pas nécessaires.
  • Un seul circulateur à vitesse variable sera placé à la sortie de la chaudière. Il sera mis en fonctionnement par une horloge annuelle, pontée par un contact antigel et un bouton de dérogation pour gérer les imprévus. Le tout ne fonctionnera que si la température extérieure est inférieure à 15°C.
  • Le circuit primaire sera de type ouvert.
  • La chaudière à condensation sera capable de supporter un débit nul. Elle n’est mise en route que si le circulateur est en demande.

Il ne reste dès lors qu’à régler la courbe de chauffe de la chaudière et l’horloge du circulateur ainsi que la température extérieure qui l’enclenche. La conduite est simple et efficace.

Grâce aux vannes thermostatiques, la régulation est précise et spécifique à chaque local quels que soient son taux d’occupation, sa localisation, la température demandée et les conditions atmosphériques.

Schéma de l’installation de chauffage réalisée.

Les différents éléments

 

La nouvelle chaudière gaz à condensation de 400 kW.

 

La régulation très simplifiée intégrée à la chaudière explicite et facile à l’emploi.

 

Un seul circulateur à vitesse variable.

 

Circuit primaire de type ouvert avec le départ des différentes boucles de chauffage (pas de vanne à trois voies motorisée).
Les conduites sont correctement isolées.

 

Les nouvelles vannes thermostatiques de type « institution ».

 

Attention, lorsque la vanne est cassée, il n’y a plus de régulation.
Le circuit est entièrement ouvert et la pompe tourne.
(Dans les endroits où le risque de heurter la vanne est grand,
il est intéressant de placer celle-ci parallèlement au mur.)

Quelques chiffres (en 2010)

Coût des travaux

Raccordement (adduction gaz) 6 762 €
Détection gaz 3 525 €
Raccordement eau (+ traitement) 2 692 €
Chaudière 22 650 €
Évacuation gaz (tubage cheminée) 4 882 €
Circulateur 4 450 €
Vase d’expansion 2 350 €
Hydraulique 13 515 €
Électricité 3 800 €
Réception 1 000 €
Démontage hydraulique existant 2 000 €
67 626 €
Vannes thermostatiques (117 pièces) 14 101 €
Neutralisation citerne 1 600 €
15 701 €
TOTAL HTVA 83 327 €

Consommation du bâtiment

  • Avant les travaux : 37 000 litre de mazout par an -> 105 kWh/m².an
  •  Après les travaux : 28 000 m³ de gaz par an -> 80 kWh/m².an

Diminution de la consommation : +/- 24 % avec une augmentation importante du confort dans les classes.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été réalisée avec l’aide de l’asbl CRAIE – Cellule pour la rationalisation et l’aide à la gestion énergétique. Cette structure a été mise en place par d’anciens membres du projet PLAGE. Elle est opérationnelle depuis  janvier 2015. Elle est agréée pour la réalisation de certificats PEB  (bâtiments publics). Elle s’occupe actuellement exclusivement  des écoles catholiques à Bruxelles.

CRAIE – ASBL
Avenue de l’Eglise Saint-Julien 15
1160 BRUXELLES
E-mail : info@craie-asbl.be

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100 % de chaleur verte à la résidence 3ème âge Aux Lilas de Bonlez

Introduction

Située au cœur du village de Bonlez, à proximité de Wavre et de Louvain la Neuve, la maison de repos  « Aux Lilas » accueille 52 résidents dans 40 chambres individuelles et 6 chambres doubles réparties sur 2 étages.

Totalement rénovée récemment, le choix a été fait de couvrir 100 % de ses besoins en chaleur grâce aux technologies renouvelables.

 

Description de l’installation de chauffage au bois

La chaudière à pellets

La chaudière à pellet 220 kW avec ses accessoires.

La chaudière à pellets KÖB PYROT  a une puissance nominale de 220 kW alors que la puissance maximale demandée lors des froids extrêmes est de 320 kW. Soit environ 70 % de la puissance totale. Ce choix se justifie par une étude préalable dont les résultats sont représentés dans les deux figures suivantes. En effet, à cette puissance, la chaudière peut couvrir environ 95 % de la consommation annuelle.

Appels de puissance dans le bâtiment sur une saison de chauffe.

Taux de couverture de la chaudière en fonction du
rapport entre sa puissance et de la puissance totale.

Résultats :

  • La durée de vie de la chaudière est optimisée. Elle fonctionnera environ 2 000 heures par an sans s’arrêter et redémarrer trop fréquemment.

 

  • Pour environ la même production d’énergie, l’investissement est plus faible que si une chaudière plus puissante avait été choisie et sera donc plus vite amorti.

La chaudière

  1. Ventilateur à rotation. Il ne crée pas de surpression, mais favorise la combustion par turbulence;
  2. chargement automatique du combustible (ici des pellets);
  3. foyer;
  4. extracteur des fumées;
  5. décendrage interne;
  6. système de recirculation des gaz de fumées/air secondaire régulé;
  7. ventilateur d’allumage.

La chaudière est également équipée d’une série d’accessoires en option qui maintiennent la chaudière à son meilleur niveau de fonctionnement et espace la fréquence entre les interventions :

  • Nettoyage pneumatique automatique des carnaux;
  • dépoussiéreur ;
  • décendrage automatique.

Grâce à ces équipements, les nettoyages/entretiens ne sont nécessaires que toutes les 300 heures de fonctionnement. Lors de l’entretien, le technicien effectue non seulement toutes les interventions prévues à l’échéancier, mais également toutes les autres de manière à être certain qu’aucune ne soit oubliée entre les entretiens. Il a lieu environ 6 fois par an. (1 800 à 2 000 heures de fonctionnement divisées par 300).

Il est à noter qu’un espace important est requis pour le nettoyage de certaines parties. Par exemple, il faut un espace suffisant pour pouvoir introduire les écouvillons dans les tubes situés au-dessus du foyer lorsqu’il est nécessaire de les nettoyer.

La chaudière d’appoint

Une chaudière d’appoint au mazout, de la puissance totale à fournir (320 kW) servira à prendre le relais lorsque la chaudière à pellets ne suffit plus (puisqu’elle ne couvre que 95 % des besoins). Elle servira aussi de backup en cas de panne (ce qui n’est pas encore arrivé) ou lors des entretiens qui nécessitent la tombée en température de la chaudière à pellets. Cela demande un certain temps à cause de son inertie thermique. La chaudière est arrêtée le soir de la veille du jour de l’entretien pour que sa température soit suffisamment basse au matin pour que les techniciens puissent agir. L’entretien lui-même dure environ une demi-journée.

La chaudière à mazout d’appoint 320 kW.

Les ballons de stockage

Le cycle de démarrage et d’arrêt d’une chaudière à pellet est très long (1 h – 2 h). Il faut donc prévoir un stockage thermique adapté. Dans le bâtiment concerné, 3 ballons tampons ont été placés. Ils contiennent ensemble environ 5 500 litres (2 x 2 000 litres + 1 x 1 500 litres).

Les trois ballons tampons.

Schéma de l’installation.

Le silo à pellets

La partie du bâtiment où devait s’installer les chaufferies est neuve. Son sous-sol pouvait donc être aménagé de manière optimale. Une zone a été réservée à la chaufferie, au silo à pellets et au local de préparation de l’eau chaude sanitaire par capteurs solaires thermiques. Le silo a donc pu être placé juste à côté de la chaufferie à proximité directe d’une cour facilement accessible de la rue au camion de livraison. Cela facilite l’approvisionnement même si en pratique le camion pourrait se trouver à une distance maximale de 30 m du silo puisque les pellets sont soufflés et pas déversés.

Configuration de la zone « chauffage à pellets ».

Le silo qui a été choisi est de forme rectangulaire allongée avec des planchers inclinés qui ramène les pellets vers une vis sans fin. La présence du fond incliné fait perdre une partie de l’espace disponible : près de 50 %. La perte augmente lorsque le local est plus large et lorsque la pente du fond est plus raide. D’autres solutions existent en fonction de la géométrie du local de stockage.

Silo – coupe transversale : le local ne peut être rempli complètement à cause des planchers inclinés.

Silo : espace non occupé sous les planchers inclinés.

Les pellets sont introduits dans le silo par insufflation. Leur vitesse est très grande et ils viennent frapper violemment le mur du fond. Une bâche souple et solide a été suspendue devant le mur pour absorber les chocs. On empêche ainsi la pulvérisation des pellets et l’érosion de la maçonnerie.

La bâche de protection au fond du silo.

Consommation, autonomie

Le cas de l’installation au bois de la maison de repos Aux Lilas à Bonlez illustre les enjeux de la conception d’une installation au bois.

Le vecteur énergétique est le pellet. La consommation annuelle moyenne estimée est de 86 tonnes/an ce qui correspond à environ 360 000 kWh/an Net (output chaudière). Les besoins totaux calculés étant de 379 000 kWh/an, la différence de 19 000 kWh/an est assurée par la chaudière au mazout qui consomme ainsi environ 2 000 litres par an.

Le silo a un volume utilisable d’environ 34 m³. Sa capacité est donc d’environ 22 tonnes. La quantité de pellets fournie par livraison est d’environ 17 m³, soit 11 tonnes. En fonctionnement, la chaudière consomme +/- 49 kg de pellets par heure ce qui lui donne une autonomie d’environ 224 heures de fonctionnement.

Pendant les mois de décembre, janvier et février la chaudière consomme +/-15 tonnes/mois. Cela représente 52 % de sa consommation annuelle. Durant cette période, la fréquence d’approvisionnement est donc légèrement inférieure à 1 livraison / mois. Le tampon de 11 tonnes permet évidemment une certaine souplesse. Les pellets brûlés durant les 6 mois d’hiver (période où la puissance demandée est supérieure à 30 % de la puissance disponible) représentent 87 % de la consommation annuelle.

Le bâtiment a été entièrement transformé et une nouvelle installation de chauffage devait de toute façon être placée. Il fallait choisir le combustible. Ce choix s’est porté sur les pellets.

Les chaudières au bois sont plus chères que leurs homologues au mazout, de plus, le gros œuvre fait croître considérablement les coûts.

Pour rentabiliser le surinvestissement  par rapport à une chaudière fuel, les pellets doivent être par kWh significativement moins chers que le mazout. Ce n’est malheureusement pas le cas actuellement (en 2016), car le prix du mazout est particulièrement bas. L’histoire nous a cependant montré que le prix des combustibles fossiles est particulièrement volatil comme le montre la figure ci-après.  Il fluctue fortement en fonction de la situation politico-économique mondiale. Outre l’insécurité que cela provoque, on constate que sa tendance est en moyenne à la hausse. Le prix des pellets est beaucoup plus stable. La source d’approvisionnement étant plus proche, la disponibilité et le coût sont moins tributaires des marchés internationaux ce qui garantit une meilleure sécurité.

Si on prend les prix d’octobre 2012 : mazout à 8.0 c€/kWh et 5.0 c€/kWh pour les pellets, on obtient une différence de 3.0 c€/kWh. En supposant que la chaudière au bois a un rendement équivalent à une chaudière au mazout standard, on retrouve cette différence de 3 c€ au niveau de la facture. La chaudière consomme 360 000 kWh/an. Par conséquent, si le prix des énergies devait rester stable à ce niveau, chaque année la consommation de pellets à la place de mazout permet d’économiser 10 800 €.  Au regard de la durée d’utilisation d’un tel matériel qui avoisine les 20 ans, la rentabilité économique du projet serait clairement prouvée.

Performance environnementale

Si on considère les émissions de gaz nocifs émis par la combustion, on voit que la chaudière à pellets permet de réduire significativement l’empreinte environnementale. Les pellets ou granulés de bois sont issus de sous-produits du bois la sciure qui est affinée, séchée et ensuite comprimée sans colle ni additif. Leur fabrication n’influence la bonne gestion des forêts.
Si on considère le cycle complet du combustible, c’est-à-dire en intégrant les processus énergivores de l’extraction, du conditionnement et du transport, on peut prendre une émission de 327 grammes d’équivalent CO2 émis par kWh pour le mazout et de 25 grammes par kWh pour les pellets. Si on intègre le cycle de vie complet, l’impact du bois-énergie sur l’émission de gaz à effet de serre n’est pas nul, mais il est de loin inférieur par rapport aux énergies fossiles. Dans le cas du mazout, la différence est estimée à 302 grammes de CO2 par kWh. Si on reprend la consommation annuelle de la chaudière de 360 000 kWh, les pellets permettent de réduire l’émission de 108 tonnes d’équivalents CO2 par an ! En termes de production de SO2, cette réduction serait de 200 kg/an.

Partenaires du projet et contacts

Cette étude de cas a été rédigée à l’aide des informations fournies par les entreprises qui ont mis en place les installations et du facilitateur Bois-Énergie.

  • Service Facilitateur Bois Energie – Secteur Public – Région wallonne
    Fondation Rurale de Wallonie
    Monsieur Francis FLAHAUX
    pbe@frw.be
  • Installation de chauffage
    Monsieur Alain HEEREN
    hrea@viessmann.be
Author Image Posted By : Sylvie 2 Août, 2016

Economies d’énergie au Collège Notre Dame de Basse Wavre

Economies d’énergie au Collège Notre Dame de Basse Wavre

Introduction

Le Collège Notre Dame de Basse Wavre situé en Brabant Wallon à proximité de la ville de Wavre est un établissement scolaire accueillant environ 2 000 élèves. Il compte 200 membres du personnel, enseignants et ouvriers. 8 bâtiments sont disposés sur 7 hectares de terrain. La surface chauffée est de 15 582 m². Chaque année, le collège consomme 150 000 litres de mazout, 196 000 kWh d’électricité et 6 000 m³ d’eau. En 2009, les Directions du primaire et du secondaire ont décidé de rassembler en un seul projet fédérateur, plusieurs projets, en lien avec le développement durable, initiés au cours des années précédentes.

Un projet d’établissement fédérateur

En 2009, le Collège est entré dans une démarche d’Agenda 21, dans le cadre d’un partenariat avec l’asbl COREN, qui a fourni un encadrement méthodologique et des outils d’action.

Tous les projets autour de la santé, de l’environnement, de la solidarité nord-sud et de la citoyenneté rentrent dans cet Agenda. Entrer dans le processus d’Agenda 21 a été contraignant, mais cela a permis de structurer l’action sur 3 ans et d’atteindre des objectifs qui ne l’auraient sans doute pas été sans cela.

Dans ce processus, la Direction a commencé par marquer son engagement auprès de l’asbl COREN et par constituer un comité de pilotage pour coordonner le projet. L’école a ensuite dû réaliser un diagnostic qui a permis de construire un plan d’action prévoyant des indicateurs de suivi environnementaux, sociaux et éducatifs. Ce plan est régulièrement évalué pour permettre les réajustements nécessaires et préciser les actions de l’année suivante. La labellisation « Écoles vers un Agenda 21 » intervient après l’évaluation de la démarche et des actions initiées.
Les moyens humains consacrés à l’Agenda 21 sont : pour l’école primaire, un instituteur qui consacre 2 heures par semaine au développement durable ; pour le secondaire, 3 enseignants qui consacrent 6 heures par semaine au projet.

Dans ce cadre diverses actions ont été menées : amélioration de la mobilité, nette amélioration du tri des déchets, achats scolaires plus durables, semaine du développement durable, mise en place d’éco-délégués dans les classes… En parallèle, des investissements économiseurs d’énergie ont été réalisés, et pour poursuivre la démarche, la Direction a décidé de renforcer les compétences en énergie de son économat, qui a suivi en 2011 la formation de Responsable énergie de la Région wallonne.

Les enjeux de l’Agenda 21 pour l’école

Pour l’école, les enjeux de l’Agenda 21 sont multiples :

  • Travailler pour la qualité de l’environnement et le bien-être des élèves.
  • Construire un processus participatif responsabilisant en concertation avec les élèves, les enseignants, la direction, le personnel administratif et technique, et les partenaires extérieurs tels que les associations de parents.
  • S’engager pour une éducation au développement durable en intégrant cette dimension dans le programme de cours.
  • Réduire les dépenses et optimiser les ressources.

Actions pédagogiques de sensibilisation à l’énergie

Organisation d’une semaine du développement durable

En octobre 2010 avec tous les élèves et tous les professeurs, diverses activités sont animées par les professeurs et des intervenants extérieurs. Cet événement a été important pour lancer une dynamique dans l’école. Au primaire, après avoir suivi une mini formation, les éco-délégués retournent en classe expliquer aux autres élèves la démarche apprise et certaines bonnes pratiques. Encadrés par leur instituteur, les élèves proposent des actions à réaliser. Durant la semaine du développement durable, chaque classe s’était ainsi engagée à mener une action particulière.

Actions ponctuelles organisées avec les éco-délégués

Organisation d’une chasse au gaspillage de nuit : accompagnés de professeurs et de Facilitateurs Éducation de Région wallonne, les élèves, munis d’instruments de mesure, identifient les gaspillages électriques de nuit dans leur école.

Participation à la journée de la mobilité avec l’asbl Pro-vélo qui remet aux participants des brevets de cyclistes.

Intégration de l’énergie dans le contenu des cours

En cours d’éducation par la technologie au 1°er degré, un professeur a organisé avec une classe de 24 élèves un audit éclairage dans le collège baptisé « Opération kill a watt ». Avec l’aide de Facilitateurs Éducation de Région wallonne, les élèves ont ainsi pu identifier par eux même la source de gaspillages et débattre de pistes pour diminuer la consommation électrique à l’école et à la maison. Chaque classe de 1° a ensuite reçu les résultats de l’analyse de sa classe.

Autres actions menées : travail de groupe de recherche documentaire sur la thématique de l’électricité, étude d’appareils électriques et de leurs de leurs caractéristiques via l’utilisation d’appareils de mesure.

Éco-délégués dans les classes

Le projet des éco-délégués vise à sensibiliser au développement durable les 2 000 élèves de l’école. Au total, 30 éco-délégués sont actifs dans l’école, à raison d’un par classe (de 1° à 6°). Ils travaillent avec un éco-comité composé du directeur, et des professeurs responsables du développement durable. Chaque éco-délégué est élu par sa classe, la plupart du temps sur base d’un programme présenté dans le cadre d’une campagne.

Rôle et profil de l’éco-délégué :

  • Être le relais entre la classe, la direction et l’enseignant responsable des divers projets.
  • Être un relais vers les plus jeunes.
  • Être une personne ressource capable de répondre et de justifier les actions auprès des élèves de la classe.
  • Être responsable du bon déroulement des actions prévues.
  • Avoir suivi des mini formations d’1/2 journée : économie d’énergie, tri des déchets, cadre de vie.
  • Participer à des réunions pour préparer des actions.
  • Être responsable de certaines bonnes pratiques dans la classe (extinction des lumières, gestion du chauffage, etc.).

Savoir pour mieux agir

Au Collège Notre Dame de Basse Wavre, la gestion de l’énergie et des infrastructures incombent à l’économat. Il a instauré un suivi des consommations de combustible, d’électricité et d’eau afin d’identifier l’origine des dérives de consommations, et suivre l’évolution des consommations après  réalisation d’investissements. Les pistes d’action mises en œuvre au collège sont reprises ci-dessous.

Économies de chauffage

Plan d’action URE réalisé.

Placement de vannes thermostatiques administratives inviolables préréglées sur 20 °C pour éviter les situations de vannes bloquées en position maximale. Coût : +/- 25.00 €/pce.

Modification du circuit de distribution de chauffage du réfectoire. Le réfectoire était chauffé 25 heures/semaine alors qu’il n’est utilisé que 8 heures/semaine. La modification des circuits a permis d’instaurer une régulation adaptée aux horaires d’occupation.

Situation antérieure : pas de circuit distinct.

Modification des circuits permettant l’adaptation aux horaires d’occupation.

Économie réalisée : passage d’une consommation de 952 kWh/semaine à 304 kWh/semaine pour le réfectoire, soit une économie de 65 litres de fuel/semaine. Économie sur une saison (20 semaines) de chauffe : 65 x 20 = 1 300 litres. Le prix du mazout varie, mais à 0.50 €/litre cela représente 650.00 €.
Le coût du dispositif étant de 3 000.00 € le temps de retour dans ces conditions serait de 4.5 ans.

Installation d’un dispositif de régulation du chauffage. L’économat remarque que les consommations d’un bâtiment n’ont pas baissé alors que tous les châssis ont été changés. Grâce à l’analyse d’enregistrements de température dans deux bâtiments, il constate que la régulation fonctionne dans un bâtiment, mais pas dans l’autre. Le chauffage n’était pas coupé la nuit et le weekend, ce qui peut être à l’origine d’une surconsommation de 30 % ! Une nouvelle régulation a été installée dans le bâtiment objet de dysfonctionnements.

Matériel utilisé :

  • Nouvelle station météo avec enregistreur de température : 200. 00  €
  • Nouvelle régulation complète : 1700.00 €

Calorifugeage de 152 m de tuyaux.
Économie de 802 litres de fioul par an.
Le coût du calorifugeage étant de 684.00 € le temps de retour est égal 1.7 an (si 1 litre de fioul = 0.50 €).

Remplacement de 200 châssis.
Temps de retour : 30 ans. Cela peut sembler long, mais il ne faut pas oublier de prendre en compte la réduction des problèmes d’infiltration d’air, l’amélioration du confort thermique et acoustique, la résolution des problèmes de sécurité, etc.

D’autres projets sont envisagés ou en cours : création d’un sas d’entrée dans les bâtiments, instauration d’un système de contrôle à distance pour l’éclairage, le chauffage et la distribution d’eau.

Économies d’électricité

Pour limiter les consommations électriques d’éclairage, l’école a commencé par réaliser un diagnostic de son installation (identification du niveau d’éclairement dans chaque pièce, identification du matériel installé et des consommations associées). Le système d’éclairage a ensuite été remplacé dans certains locaux pour permettre une mise aux normes (éclairement suffisant) et pour limiter les consommations d’énergie.

Remplacement de tubes fluo d’ancienne génération et de lampes à incandescence par du matériel plus performant (Tubes fluo T5 à ballast électronique, lampes fluo-compactes, LED). La durée de vie allongée du matériel permet également des économies en termes de maintenance. Coût : +/- 100.00 €/Pce.

Placement dans les couloirs d’un détecteur de mouvement avec luxmètre : l’éclairage ne s’enclenche que lors du passage d’une personne ET lorsque la lumière naturelle est insuffisante. La durée d’éclairage ne représente plus que 21 % de ce qu’elle était auparavant : la minuterie diminue l’éclairage de +/- 50 %, le détecteur de lumière de +/- 30 %

Économie réalisée : passage d’une consommation de 341 400 kWh/semaine à 610 66 kWh/semaine, soit environ 39.00 € d’économie par semaine d’activité pour l’ensemble des bâtiments (15 582 m²).

Économies d’eau

Afin de limiter les pertes liées à d’éventuelles fuites sur le vaste réseau de distribution de l’école, des électrovannes ont été placées sur le réseau afin de couper l’alimentation en dehors des heures d’occupation.

Coût d’une électrovanne main d’œuvre incluse : 500 €
Économie d’eau estimée à 143m3/an pour 60 toilettes,
soit une économie de 490 €/an. Ce qui représente un temps de retour égal à environ 1 an.

Et l’avenir ?

D’autres projets sont envisagés ou en cours : création d’un sas d’entrée dans les bâtiments, instauration d’un système de contrôle à distance pour l’éclairage, le chauffage et la distribution d’eau.

Informations complémentaires

Cette étude de cas provient d’une fiche réalisée par le facilitateur URE non marchand de Wallonie en 2011.

Author Image Posted By : Sylvie 31 Mai, 2016

Nouvelle cogénération dans la piscine du Sart-Tilman à Liège

Introduction : une cogénération dans une piscine

Une première question qui vient à l’esprit pour le gestionnaire ou le futur gestionnaire d’une chaufferie de piscine est de savoir comment faire pour minimiser le coût énergétique que va nécessairement engendrer un tel ensemble. Non seulement en termes de, besoins en chauffage pour le bâtiment, eau chaude pour les diverses activités présentées, les douches etc., mais également en termes de consommation électrique.

En termes de consommation énergétique, il n’est pas rare de rencontrer des chiffres bien supérieurs à 1 000 000 kWh annuel en gaz ou en électricité (cet ordre de grandeur peut varier fortement d’un établissement à l’autre).

Parallèlement à des chiffres purement économiques, viennent aussi à l’esprit l’intérêt environnemental et énergétique.

Afin de tenir compte de cette triple problématique, la réflexion conduit naturellement à envisager un projet comportant une unité de cogénération. Cette solution va apporter une solution énergétiquement optimisée qui, à partir d’un moteur alimenté au gaz (dans le cas présent) va produire à la fois de l’eau chaude et de l’électricité.

Cette solution aura un bilan intéressant à plusieurs niveaux : énergétiquement tout d’abord car l’énergie primaire consommée sera réduite par rapport à une production séparée de chaleur et d’électricité.

Économiquement ensuite car les kWh électriques produits le seront à un prix plus intéressant que celui acheté au réseau. De plus le législateur a prévu un incitent financier, calculé sur l’économie en CO2 émis par la cogénération (en comparaison à une production séparée de référence : centrale électrique TGV et chaudière à condensation), sur base de la génération de certificats verts qui pourront être valorisés par la suite.

Présentation du projet, d’où vient l’idée du projet

Le projet de cogénération à la piscine du Sart-Tilman a été lancé en 2008 en remplacement d’une pile à combustible expérimentale.

Inauguré en 2009, le projet a maintenant atteint un rythme de croisière dont on peut commencer à tirer un bilan technico-économique. La cogénération installée alimente la piscine du centre sportif ainsi que les divers consommateurs qui y sont liés (groupe de traitement d’air, douches). Elle est connectée de façon à prendre à sa charge une partie des besoins en chaleur de ces différents consommateurs dont la puissance totale nécessaire en période de pointe est de 1 500 kW, la cogénération a une puissance thermique installée de 202 kW soit environ 13,5 % de ces besoins. Le complément de chaleur qui n’est pas fourni pas la cogénération est fourni par le réseau de chaleur présent sur le site du Sart-Tilman.

En pratique la cogénération, d’une puissance thermique de 202 kW et d’une puissance électrique de 144 kW, est dimensionnée de façon à fonctionner un maximum de temps.
Elle fonctionne ainsi de l’ordre de 6 500 heures par an en moyenne. Ce chiffre, très intéressant afin de rentabiliser un tel projet, est rendu possible par des besoins en chaleur présents pratiquement toute l’année.

Une particularité d’une la cogénération installée pour chauffer une piscine est la possibilité d’utiliser le volume d’eau de la piscine (800 m³ dans le cas présent) comme tampon de chaleur afin de lisser le fonctionnement de cette cogénération et ainsi diminuer la fréquence des arrêts-démarrages. Ceux-ci sont en effet préjudiciables au rendement et à l’usure mécanique de cette cogénération.
Le bassin va permettre de continuer de faire fonctionner la cogénération même lorsque la demande des utilisateurs est trop faible que pour recevoir toute la chaleur produite. Cette chaleur y sera injectée dans certaines limites acceptables; en effet l’augmentation temporaire de température se traduira inévitablement par des pertes plus importantes (évaporation d’eau et déperditions calorifiques plus importantes…).
Le bassin, ainsi utilisé comme tampon de chaleur, permettra dans le cas présent de faire fonctionner la cogénération pas loin de 4,5 heures en augmentant la température de consigne de 1 °C.

Importance du dimensionnement, difficultés rencontrées

Le dimensionnement d’une unité de cogénération est quelque chose de sensible qui nécessite une évaluation la plus précise possible des besoins en chaleur de l’établissement où elle sera installée. C’est en effet principalement sur ces besoins en chaleur que la cogénération sera dimensionnée, elle devra également tenir compte de la consommation électrique de l’établissement. En effet, d’une façon générale, un maximum de l’électricité produite devra être autoconsommé par l’établissement afin de rentabiliser l’investissement.

Pour ce dimensionnement, l’idéal est de disposer d’un relevé quart horaire de ces besoins pendant une période de temps qui permettra d’extrapoler le profil de consommation hebdomadaire et la demande annuelle en chaleur. Sur base de cette demande, la cogénération sera dimensionnée pour maximiser sa production annuelle de chaleur.

  • Sous-dimensionnée, elle fonctionnera plus longtemps que la cogénération optimale mais produira moins que cette dernière. Elle représentera donc un manque à gagner.
  • Surdimensionnée, elle sera sujette à des cycles d’arrêt-démarrage trop fréquents qui pénaliseront son rendement de production et donc sa rentabilité. Cela grèvera également sa durée de vie et représentera un surinvestissement non justifié. De plus des cycles d’arrêt-démarrage fréquents vont provoquer une usure moteur plus importante et dès lors des frais de maintenance plus élevés.

Une fois le dimensionnement optimal effectué il restera à intégrer la cogénération dans la chaufferie et mettre en place une régulation qui la fera fonctionner à l’optimum de ses possibilités.

Ces éléments importants à rappeler permettront, une fois intégrés, de mettre en place via la cogénération un projet d’utilisation rationnelle de l’énergie (URE) efficace. Ce projet doit pour bien faire s’intégrer dans un ensemble de mesures URE dont certaines sont prioritaires ; comme par exemple la réduction des déperditions thermiques. De plus ces mesures URE déjà prises auront un impact sur le dimensionnement de la cogénération : si les besoins en chaleur sont moindres, la puissance à installer sera évidemment plus faible et le coût d’investissement moins important.

Conclusions du projet

La fiabilité de l’installation ainsi que les gains engrangés par la cogénération de la piscine du Sart-Tilman sont déterminants. D’un point de vue purement financier, pour un investissement total de près de 300 000 €, le temps de retour s’établit à 8 ans. Ce chiffre qui peut paraître élevé s’explique entre autre par le coût relativement intéressant de la chaleur achetée au réseau présent sur le site du Sart-Tilman ainsi que par le contrat d’entretien et l’omnium complète qui ont été choisis.
Dans le cas d’un site ne disposant pas de ce réseau et connecté au gaz, on trouve généralement des temps de retour proche des 5 ans.

Chiffres clés du projet (moyenne des 3 dernières années)

  • Puissance thermique : 202 kW
  • Puissance électrique : 144 kW
  • Heures de fonctionnement annuel : 6 500 heures
  • Consommation de gaz : 2 600 MWh (PCS)
  • Économies CO2 : 107 T/an
  • Certificats Verts : 246 CV/an

Contacts

Porteur de projet

Piscine du Sart-Tilman Éducation Physique
Université de Liège, Administration des Ressources immobilières
Maud LELOUTRE : Responsable Énergie
Tel : +32 (0) 4.366.37.89

Facilitateur Cogénération en Région Wallonne

Institut de Conseil et d’Études en Développement Durable asbl
Bvd Frère Orban, 4
5000 Namur
Tel : +32 (0) 81.250.480
Fax : +32 (0) 81.250.490

Crédits photos

Université de Liège : https://www.uliege.be/
Centres Sportifs du Sart-Tilman : www.rcae.ulg.ac.be/

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 31 Mai, 2016

Nouvelle cogénération au gaz dans un home pour personnes âgées

Nouvelle cogénération au gaz dans un home pour personnes âgées

Introduction : une étude de faisabilité

En 2005, la Région de Bruxelles-Capitale a mandaté l’ICEDD pour effectuer une étude du potentiel de développement de la cogénération sur son territoire. Les résultats montrent, qu’au niveau industriel, une entreprise sur 5 pourrait installer une cogénération rentable (temps de retour inférieur à 3 ans) tandis qu’un établissement sur 2 dans le secteur tertiaire pourrait installer une unité de cogénération rentable (temps de retour inférieur à 5 ans).

Un home de la commune d’Anderlecht figure parmi ces établissements propices à la cogénération. Suite à ces bons résultats, le home a été invité à fournir des données plus précises pour réaliser une étude dite « de pertinence ». L’étude de pertinence permet, suite au pré-dimensionnement et aux calculs de rentabilité « à la grosse louche » de savoir s’il est pertinent d’installer une cogénération ou non dans le bâtiment étudié.

Cette étude de pertinence, remise en décembre 2005, a confirmé l’intérêt d’une cogénération, mais elle n’est cependant pas suffisamment précise pour que les gestionnaires puissent décider, en connaissance de cause, l’achat d’un tel équipement.

Il est nécessaire de savoir s’il y a de la place disponible et si l’acheminement du module de cogénération est possible. Il est également indispensable de pouvoir simuler le fonctionnement de cette cogénération selon les profils des besoins thermiques et électriques tel que mesurés dans le bâtiment étudié. Des simulations qui permettent d’optimiser et de fiabiliser les résultats du dimensionnement et de la rentabilité.

Ces réponses sont apportées par l’étude de faisabilité, étape ultime avant la décision d’investir. Vu l’intérêt et la motivation des gestionnaires des bâtiments, la Région de Bruxelles-Capitale a offert une étude de faisabilité gratuite, objet du présent rapport.

L’étude de faisabilité a été effectuée par le Facilitateur en Cogénération financé par la Région de Bruxelles Capitale. Pour toute information complémentaire, n’hésitez pas à contacter le Facilitateur en Cogénération.

Le document complet est disponible au téléchargement : Installation d’une cogénération dans un home pour personnes âgées (PDF).

Présentation du home

Le home est une maison de repos et de soins avec 209 places.

Installation de chauffage

Le chauffage des bâtiments est assuré actuellement par 3 chaudières au gaz naturel avec des puissances thermique de 466 kWth, 494 kWth et 494 kWth respectivement.

Dans le cadre de cette étude de faisabilité, une mesure des besoins thermiques à été effectuée en mesurant les temps de fonctionnement (à chaque demi-heure) des chaudières durant deux semaines, permettant d’obtenir un profil des besoins thermiques du bâtiment. Cette étape est en effet indispensable pour pouvoir dimensionner le plus judicieusement possible l’unité de cogénération.

Installation électrique

Le home est alimenté en électricité par une cabine haute tension (11 000 V) et alimente un transformateur. La consommation électrique est télé-relevée par Sibelga tous les quarts d’heure. Ce profil quart horaire a généreusement été transmis par Sibelga pour l’année 2005. Cette donnée est indispensable pour connaître la quantité d’électricité produite par la cogénération qui sera effectivement auto-consommée par le home ainsi que la part qui sera revendue sur le réseau électrique.

Le TGBT électrique, en aval de la cabine haute tension, est situé juste à côté de la chaufferie. La distance de câble entre le TGBT et la chaufferie où serait située la cogénération a été estimée à 15 mètres.

Synthèse des résultats

L’objectif de cette étude de faisabilité est d’évaluer l’intégration technique de la cogénération dans l’installation existante, de proposer la meilleure solution technologique et d’établir le bilan d’un projet de cogénération au gaz naturel pour le home. C’est au terme de cette étude que le décideur pourra choisir d’investir ou non dans une unité de cogénération.

Le résultat montre qu’une unité de cogénération au gaz naturel de 230 kWth et 150 kWé est économiquement intéressante, surtout couplée à un stockage de chaleur de 10 m3. Par ailleurs, elle présente de nombreux avantages énergétiques et environnementaux.

Résultats Valeurs

Techniques : Moteur au gaz naturel

Puissance « optimale »

 230 kWth et 150 kWé
Nombre d’heure de fonctionnement 6 888 heures/an
Volume du ballon de stockage 10 m³
Énergétiques
Situation « avant » cogénération (factures 2005)
Consommation de gaz naturel (avec 10 % URE) 3 176 401 kWhprimaire PCI/an
Consommation d’électricité 845 996 kWé/an
Situation « après » cogénération (simulations COGENsim)
Consommation de gaz naturel de la cogénération 2 899 826 kWhprimaire PCI/an
Consommation de gaz naturel des chaudières 1 382 468 kWhprimaire PCI/an
Production de chaleur par cogénération 1 524 843 kWhth/an
Production d’électricité par cogénération 983 123 kWé/an
Économiques (montants HTVA)
Situation « avant » cogénération (factures 2005) 188 094 €/an
Facture combustible 109 585 €/an €/an
Facture électrique 78 508 €/an
Situation « après » cogénération (simulations COGENsim) 133 192 €/an
Facture combustible 147 740 €/an
facture électrique (dont revente d’électricité) 30 712 €/an (10 161 €/an)
Facture des entretiens et d’assurance 17 276 €/an
Gain de la vente des certificats verts 52 375 €/an
Gain annuel 54 902 €/an
Investissement net (tout compris) 173 720 €
Temps de retour simple (TRS) 3,2 années
Taux de rentabilité interne (TRI) 22 %/an
Environnementaux
Émissions de CO2 évitées 126 294 kg CO2/an
Objectif Kyoto satisfait pour 405 bruxellois (312 kg CO2/bruxellois)
Nombre de certificat vert (1 CV = 217 kg CO2) 582 CV/an
Économie en gaz naturel 582 540 kWh/an (16 %)

Synthèse des hypothèses

Outre les résultats, il est important de présenter, de manière synthétique, les hypothèses prises lors de l’étude. Dans le choix des hypothèses, nous avons tâché de nous situer du côté de la « sécurité », afin que le home puisse prendre la décision d’investir avec le maximum de garanties.

On distingue 4 types d’hypothèses : techniques, énergétiques, économiques et environnementales.

Il est important de préciser que ces hypothèses n’ont un impact que sur le calcul de la rentabilité du projet de cogénération et non sur son dimensionnement.

Techniques

  • Rendements de l’unité de cogénération : Évolution en fonction de la charge
  • Charge du moteur : Fonctionnement jusqu’à 75 % de sa charge nominale

Énergétiques

  • Besoins thermiques : 100 % du combustible pour la production de chaleur
  • Rendement annuel de la chaufferie : 85 % pour la chaufferie actuelle au mazout (estimation)
  • Réductions pour futures actions URE : 10%
  • Année de référence : 2005 (année chaude de + 12,4 % que l’année normale)
  • Type de combustible : Gaz naturel – PCI = 10.8 kWh PCI/m3
  • Isolation du ballon de stockage : 15 cm de laine de roche soit diminution de 1.01°C/24h

Économiques

  • Durée de vie économique : 50 000 h (env 10 ans)
  • Investissement : Tout compris (moteur, échangeurs, connexion électrique, conteneur acoustique, régulation, génie civil)
  • Investissement supplémentaire : Ballon de stockage de 10 m3 tout compris (cuve, isolation, jaquette, supports, pompes, vannes)
  • Prix mentionnés : HTVA
  • Facteur de sur-investissement : 10 % (pour éventuels imprévus)
  • Taux de subside : 20 %
  • Prix du gaz et évolution : Prix décembre 2005 (30,9 €/MWh) & + 5 %/an
  • Prix de l’électricité : Prix 2005 (92,76 €/MWh) & + 2 %/an
  • Gain sur la facture d’électricité : Réduction de puissance quart horaire non considérée
  • Régime « heures pleines » : de 7 heures à 22 heures, les jours ouvrables
  • Prix des entretiens : Contrat tout compris (huile, assurance bris de machine et dépannage) hors inspection journalière visuelle
  • Taux d’actualisation (= taux d’emprunt) : + 5 % / an
  • Prix de vente du certificat vert : 90 € / CV pendant 10 ans

Environnementales

  • Coefficient d’émission en CO2 : 217 kg CO2 / MWh de gaz naturel

Synthèse du dimensionnement

L’utilisateur d’une cogénération, pour qu’elle soit de qualité ou à haut rendement, doit valoriser toute la chaleur et toute l’électricité produites. Si la production d’électricité est supérieure aux besoins, il y aura revente sur le réseau électrique. Par contre, il est plus difficile de le faire pour la chaleur excédentaire.

C’est pourquoi, une cogénération est dimensionnée sur les besoins thermiques des bâtiments. C’est lors de l’optimisation économique de la taille que l’on tient compte des besoins électriques, en évaluant la part d’électricité auto-consommée et celle qui est revendue.

Afin de connaître avec précisions l’évolution dans le temps des besoins thermiques et électriques, des compteurs ont été placés durant le mois de janvier. Ensuite, pour la partie thermique, grâce aux degrés jours de la station météo d’Uccle, une extrapolation du profil a été réalisée.

Pour la partie électrique, Sibelga nous a fourni gracieusement les puissances ¼ heure par ¼ heure pour toute l’année 2005, l’extrapolation n’était pas nécessaire. La mesure électrique a permis de valider les données reçues. Ainsi, les profils thermique et électrique sont connus pour une année entière.

Ensuite, grâce au logiciel COGENsim, nous avons simulé le fonctionnement de plusieurs tailles de cogénération pour finalement choisir la plus rentable : une cogénération par moteur au gaz naturel de 230 kWth et 150 kWé.

Optimisation économique de la taille de cogénération à installer au home

En outre, différents scénarios de fonctionnement ont été testés. Celui qui est le mieux adapté au home consiste à faire fonctionner la cogénération 24h/24, 12 mois par an et d’y accoupler un ballon de stockage de chaleur de 10 m3.

L’intégration de la cogénération et de son ballon de stockage de chaleur est aisé, vu la place disponible dans la chaufferie et la facilité d’acheminement.

Contacts

Facilitateur Cogénération en Région de Bruxelles-Capitale

Institut de Conseil et d’Études en Développement Durable asbl
Bvd Frère Orban, 4
5000 Namur
Tel : +32 (0) 81.250.480
Fax : +32 (0) 81.250.490

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Author Image Posted By : Sylvie 25 Avr, 2016

Pile à combustible

Pile à combustible

Principe

La pile à combustible part du principe de conversion de l’énergie chimique de combustion (réaction d’oxydo-réduction) en énergie électrique, en chaleur et en eau.

Les éléments de base constituant une pile à combustible sont principalement au nombre de trois, à savoir :

  1. une électrode de type anode émettrice d’électrons (oxydation);
  2. une électrode de type cathode collectrice d’électrons (réduction);
  3. un électrolyte séparant les deux électrodes.

Pour certains types de pile, l’injection continue d’un combustible au niveau de l’anode (H2 par exemple) induit, en présence de platine, la réaction d’oxydation catalytique :

H2 → 2H+ + 2e–

De par ses propriétés physico-chimiques, l’électrolyte est « perméable » aux ions H+, ce qui leur permet de migrer vers l’électrode cathodique. Dans un même temps, l’électrolyte est aussi « imperméable » aux électrons et leur impose de passer par un circuit conducteur externe à la pile. D’où la création d’un courant électrique si le circuit est fermé.

L’injection continue de dioxygène de l’air (ou oxygène de l’air en simplifiant) au niveau de la cathode induit, aussi en présence de platine, la réaction suivante de réduction catalytique :

½ O2 + 2H+ + 2 e– → H2O + Q (chaleur)

L’effet escompté est assuré puisque la réaction physico-chimique dans son ensemble produit de l’électricité aux bornes des électrodes et de la chaleur.

Schéma principe pile à combustible.

En première approche, cette technologie est propre vu qu’une pile alimentée avec de l’hydrogène et de l’oxygène rejette de l’eau. Le seul hic est que la production d’hydrogène, à l’heure actuelle, est très énergivore et potentiellement polluante.

Les piles à combustible sont caractérisées par la nature de l’électrolyte :

  • Un électrolyte acide induit une migration d’ions positifs (H+) de l’anode vers la cathode.
  • À l’inverse, un électrolyte basique génère la migration d’ions négatifs (OH–, O2-, CO32-) de la cathode vers l’anode.

Les types de pile à combustible

Piles à combustible à électrolyte acide

  • Les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). L’électrolyte est constitué d’une membrane solide polymère. Les températures de fonctionnement sont basses (20 – 100 °C).
  • Les DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). À la place de l’hydrogène, les piles utilisent comme combustible le méthanol (CH3OH). Injecté directement sur l’anode avec de l’eau son oxydation catalytique produit des ions H+ et du gaz carbonique. Comme sur les PEMFC, une membrane solide polymère constitue l’électrolyte et permet la migration des H+ vers la cathode.
  • Les PAFC (Phosphorique Acid Fuel Cell) utilisent comme électrolyte l’acide phosphorique liquide emprisonné dans une matrice solide poreuse. Elles peuvent fonctionner jusqu’à 200 °C.

Piles à combustible à électrolyte basique

  • Les AFC à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell) utilisent l’ion OH– libéré par réduction catalytique de cette base sur la cathode.
  • Les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) utilisent des carbonates de lithium et de potassium fondus pour la migration des ions CO32-.
  • Les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) sont à base d’un électrolyte solide (zircone dopé aux terres rares) afin de produire des ions O2-.

Le catalyseur aux électrodes

Le rôle du catalyseur dans la réaction d’oxydo-réduction au niveau des électrodes est déterminant dans le rendement de la pile. Actuellement, on utilise du platine qui est un métal rare et coûteux. Les constructeurs et les labos de recherche tablent à moyen terme sur l’utilisation des nanotechnologies pour développer des catalyseurs.

Les enjeux énergétiques

Les piles à combustible présentent beaucoup d’atouts comme, par exemple :

  • des rendements élevés;
  • silencieuses;
  • sans pièce mobile;
  • dans une gamme de température large;
  • d’un point de vue environnemental, ne produit que de la chaleur et de l’eau.

Cependant, le défi est de taille pour produire de l’hydrogène. À 95 %, l’hydrogène est issu du « reformage » à la vapeur (ou vaporeformage) de combustibles fossiles comme le gaz de ville, le butane, le propane, … avec émission importante de CO2.

La  réaction générale s’écrit :

CnH(2n+2) + nH2O → nCO + (2n+1)H2

Exemple avec n = 1 : CH4 + H2O → CO + 3H2

Il est nécessaire de neutraliser le CO. Une réaction seconde permet d’y arriver :

CO + H2O → CO2 + H2

Du CO2 est donc émis !

En termes de rendement global théorique, des annonces de 95 % pour des piles à combustible domestique sont avancées au niveau de programme européen ene.field :  http://enefield.eu/
À prendre donc en considération, mais avec des « pincettes ».

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Author Image Posted By : Sylvie 21 Avr, 2016

Procédure d’octroi des certificats verts

Procédure d’octroi des certificats verts

Préalable

La procédure d’octroi des Certificats Verts et LGO a été modifiée par l’Arrêté du Gouvernement Wallon du 3 avril 2014 relatif à la promotion de l’électricité produite au moyen de sources d’énergie renouvelable ou de cogénération. La nouvelle procédure est applicable depuis le 01/07/2014.

Il convient de toujours se référer au site Portail de la Région Wallonne pour s’assurer de la dernière version de la procédure applicable.

Présentation synthétique du mécanisme

La nouvelle procédure d’octroi des certificats impose à l’auteur de projet un passage par différentes étapes reprises ci-dessous :

  • Une demande réservation de CV. Cette demande doit être faite à la Région Wallonne et validée par elle suivant la disponibilité des CV dans l’enveloppe prévue pour la filière « cogénération ».
  • Une certification de l’installation, par un organisme agrée qui accorde un CGO ou Certificat de Garantie d’Origine pour l’installation. Lorsque l’installation est certifiée, l’organisme agréé envoie le CGO à la CWaPE. Cette démarche fait office de demande d’octroi de CV/LGO.
  • Un accord de la CWaPE quant à l’octroi des CV/ou LGO.

Le schéma ci-après reprend les étapes de la procédure de permis d’environnement.

Schéma étapes de la procédure de permis d’environnement.

(1) Formulaire à remettre à la Région (DGO4) :

  • Renseignements généraux
  • Dossier technico-financier
  • Informations relatives au projet
    • Calendrier
    • Business plan
    • Étude de faisabilité
    • Autorisations spécifiques
    • Estimation du nombre de CV

Délais de réponse : 45 jours.

(2) Validation par l’organisme agréé de la Conformité de l’installation et de la Conformité au code de comptage.

  • Le CGO fait office de demande d’octroi de CV et LGO.
  • Délais de réponse : 45 jours.

Les infos utiles

La CWaPE : https://www.cwape.be

  • Mise en place une plateforme spécifique pour faciliter la gestion des certificats vert.
  • L’édition chaque année d’un rapport sur l’évolution du marché des certificats verts.
  • La mise à disposition d’un outil Excel pour le calcul des certificats verts.

Le Portail de la RW : http://energie.wallonie.be

  • Les certificats verts.
  • La réservation.
  • Les procédure et formulaires.
  • L’état de l’enveloppe.
  •   …

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Author Image Posted By : Sylvie 13 Avr, 2016

Acteurs de la cogénération en Région Wallonne et à Bruxelles

Acteurs de la cogénération en Région Wallonne et à Bruxelles

Les acteurs du marché de la cogénération

Le petit monde de la cogénération belge comporte de nombreux acteurs que ce soit des bureaux d’études, des installateurs, des entreprises de maintenances ou encore des organismes institutionnels. Pour facilité la recherche, le Facilitateur Cogénération pour la Wallonie a élaboré une liste d’outils et de documents associés disponibles ici :

La Commission wallonne pour l’Énergie (CWaPE)

La CWaPE est l’organisme responsable de la régulation du marché du gaz et de l’électricité en Wallonie.

La Commission wallonne pour l’Énergie (CWaPE) est la clé de voûte du bon fonctionnement du marché régional de l’électricité. Elle est l’organe de régulation, de contrôle et de transparence du marché wallon de l’électricité afin d’éviter tout abus de position dominante.

Elle est investie d’une mission de conseil auprès des autorités publiques ainsi que d’une mission générale de surveillance et de contrôle de l’application des décrets et arrêtés qui y sont relatifs. Elle est chargée de réaliser un rapport relatif à l’évolution du marché de l’électricité. Ce rapport d’abord communiqué au Gouvernement et au Parlement est ensuite publié.

En particulier, la CWaPE est responsable du contrôle du respect des dispositions en matière de promotion des sources d’énergie renouvelables et de la cogénération de qualité. Elle tient une banque de données dans laquelle sont enregistrés les renseignements relatifs aux certificats de garantie d’origine des unités de production d’électricité à partir de sources d’énergie renouvelables et/ou de cogénération, ainsi qu’aux labels de garantie d’origine et aux certificats verts octroyés à ces unités de production.

Elle organise un service de conciliation et d’arbitrage pour les différends relatifs à l’accès au réseau et à l’application du règlement technique. Elle pourra enfin, moyennant adaptation, intervenir en tant que régulateur du marché gazier si le législateur décide d’étendre les missions de la CWaPE à ce secteur.

Consultez le site de la Commission wallonne pour l’Énergie à l’adresse http://www.cwape.be

Le Comité de Contrôle de l’Électricité et du Gaz (CCEG)

Le CCEG est un organisme qui a débuté ses activités en 1955 pour être supprimé en 2003.

De nouvelles compétences ont alors été transférées à la CREG.

Le Comité de Régulation de l’Électricité et du Gaz (CREG)

Le Comité de Régulation de l’Électricité et du Gaz (CREG) est l’organisme fédéral de la régulation des marchés du gaz et de l’électricité en Belgique.

La CREG est un organisme autonome belge régi par la loi-programme du 22 décembre 2003 (M.B. 31/12/2003).

La CREG a plusieurs missions essentielles :

  • une mission de conseil auprès des autorités publiques.
  • surveiller la transparence et la concurrence sur les marchés de l’électricité et du gaz naturel.
  • veiller à ce que la situation des marchés vise l’intérêt général et cadre avec la politique énergétique globale.
  • veiller aux intérêts essentiels des consommateurs.

Le site de la CREG informe entre autres sur :

  • les tarifs de l’électricité et du gaz naturel.
  • des analyses relatives à l’évolution des prix, au fonctionnement des marchés, à la sécurité d’approvisionnement en électricité et en gaz naturel.
  • la législation pertinente de l’énergie.

Consultez le site du Comité de Régulation de l’Électricité et du Gaz http://www.creg.be

SPW Territoire, Logement, Patrimoine, Energie

Le SPW Territoire, Logement, Patrimoine, Energie œuvre à faire baisser la consommation d’énergie, à promouvoir les énergies renouvelables.

Le Département participe à la définition et au développement des politiques dans ces matières et coordonne les actions menées pour encourager les bonnes pratiques, aussi bien dans le secteur résidentiel, en ce compris la cible particulière des jeunes, que dans l’industrie et le tertiaire, y compris dans le secteur public.

Le soutien à la recherche et développement et à l’innovation vise aussi à réduire la consommation d’énergie et à développer à moindre coût le recours aux sources d’énergie alternatives.

Le Département veille par ailleurs à la bonne organisation des marchés régionaux de l’énergie par la rédaction et l’application d’actes réglementaires, mais aussi par la contribution à la mise en place de mesures d’accompagnement sociales des clients finaux des marchés régionaux de l’énergie.

Pour réaliser ces missions s’inscrivant le plus souvent dans un contexte européen, le Département compte trois directions : la direction du bâtiment durable, la direction de la promotion de l’énergie durable et la direction de l’organisation des marchés régionaux de l’énergie.

En particulier, le SPW Territoire, Logement, Patrimoine, Energie encadre également les accords de branche pour l’industrie et les soutiens financiers aux investissements économiseur d’énergie dont la cogénération fait partie.

Consultez le portail énergie de la Wallonie   http://energie.wallonie.be/

La Direction Générale Opérationnelle de l’Agriculture, des Ressources Naturelles et de l’Environnement – DGO3

La direction générale opérationnelle de l’Agriculture, des Ressources naturelles et de l’Environnement gère les patrimoines naturel et rural de la Région wallonne, propose des axes de développement dans les secteurs agricole et environnemental (y compris les ressources naturelles), détecte et gère les accidents environnementaux, veille au respect des exigences du développement durable.

Elle prépare et met en œuvre la Politique agricole commune, certifie et contrôle la qualité des animaux, des produits animaux, du matériel végétal de reproduction et des produits réglementés.

Elle exerce un contrôle opérationnel du régime des cours d’eau non navigables dans le respect d’une gestion intégrée de l’eau et de l’information au public.

Consultez le portail environnement de la Wallonie http://environnement.wallonie.be/

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Author Image Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

Évaluer l’intérêt du financement par un tiers investisseur [cogen]

Évaluer l’intérêt du financement par un tiers investisseur

Le principe du tiers investisseur

La production simultanée d’électricité et de chaleur, appelée communément « cogénération », nécessite une connaissance approfondie d’un ensemble de disciplines qui n’est pas évident de maîtriser.

Le Tiers Investisseur est un concept et un instrument qui permet la prise en charge de la responsabilité totale de chaque phase d’un projet et qui en finance tous les coûts.

Ce système présente les avantages :

  • de travailler à « livre ouvert »;
  • de ne pas demander de participation financière au client;
  • de permettre au consommateur final un recentrage de son entreprise sur son métier de base;
  • de faire appel aux compétences externes non liées à un seul fabricant;
  • d’une intégration optimale des composantes techniques et financières par rapport aux financements classiques.

La formule proposée au client se présente de la façon suivante :

  • Le tiers investisseur prend à sa charge l’investissement représenté par la cogénération et les risques qui y sont liés, en ce compris le système de récupération de chaleur, le raccordement « combustible » et les éventuels travaux de transformation de la cabine de fourniture d’électricité.
  • Les installations de production de chaleur en place chez le client ne sont pas démantelées, elles assurent l’appoint nécessaire ou reprennent la production de chaleur en cas d’arrêt de l’installation de cogénération.
  • Le tiers investisseur se paie sur les économies réalisées, selon diverses formules possibles.

Avec diverses options possibles selon les formules proposées :

  • Le tiers investisseur prend ou ne prend pas la responsabilité des études et de la réalisation.
  • Le tiers investisseur est ou n’est pas propriétaire des installations.
  • Le tiers investisseur prend ou ne prend pas en charge les coûts liés à l’exploitation et à la maintenance.
  • Le tiers investisseur prend ou ne prend pas en charge les responsabilités liées à l’exploitation et à la maintenance.
  • Le tiers investisseur peut garantir les économies par rapport au prix du marché pour les productions séparées.
  • Le tiers investisseur se fournit éventuellement en combustible auprès du client afin de bénéficier des tarifs industriels qui ne lui sont pas directement accordés.

Le consommateur propriétaire des installations

Dans ce type de formule, le consommateur est propriétaire des installations.

Le tiers investisseur, après avoir investi dans les équipements, se paie sur les économies réalisées. Les aspects techniques peuvent dans ce cas être réalisés par le tiers investisseur lui-même ou par un bureau indépendant choisi par le consommateur.

Ce système présente plusieurs avantages :

  • Il donne accès à un ensemble de subsides. Dans la mesure où le consommateur est propriétaire des installations, il a droit aux subsides de la Région Wallonne.
  • Le tiers investisseur partage les économies générées et assure un remboursement de manière proportionnelle et conditionnelle.
  • Le tiers investisseur garantit un seuil et une durée de remboursement.
  • Une fois les investissements amortis, les économies sont entièrement au bénéfice du consommateur.
  • Les aspects techniques peuvent être traités par un bureau indépendant, choisi par le consommateur.

Le tiers investisseur propriétaire des installations

Dans ce type de formule, le tiers investisseur, propriétaire des équipements qu’il a étudiés et installés lui-même, vend l’électricité et la chaleur au consommateur.

Un producteur-fournisseur d’électricité comme tiers investisseur

La formule présente les caractéristiques suivantes :

  • Le fournisseur d’énergie vend de la chaleur au client, le prix étant basé sur une structure tarifaire classique, mais à un tarif réduit.
  • L’électricité qui est produite par le cogénérateur est la propriété du fournisseur d’énergie. La tarification de l’électricité au client reste identique par rapport à une situation sans cogénération, tant que le client n’est pas libéralisé.

Une société indépendante comme tiers investisseur

La formule présente les caractéristiques suivantes :

  • Électricité : une partie est produite par l’installation, le solde est acheté au réseau par le tiers investisseur. La totalité est vendue au client avec une remise garantie par rapport au meilleur prix que le client peut obtenir du réseau.
  • Chaleur : une partie est produite par l’installation, le solde est produit par les chaudières. La totalité est vendue au client avec une remise garantie par rapport au prix de revient de la chaleur produite par les chaudières.

La remise par rapport aux prix du marché est confirmée après l’étude de faisabilité, elle reste fixe pendant toute la durée du contrat.

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Author Image Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

Contexte wallon du développement de la cogénération

Contexte wallon du développement de la cogénération

Point de départ et vue d’ensemble

L’Arrêté du Gouvernement de la Région Wallonne a été publié le 30 novembre 2006 afin de promouvoir l’électricité verte et la cogénération de qualité.

L’intitulé est : « Arrêté du Gouvernement Wallon relatif à la promotion de l’électricité verte et de la cogénération de qualité ».

L’Arrêté a créé véritablement de nouvelles conditions économiques pour la cogénération :

  • Le nombre de certificats verts est fonction de l’économie de CO2 par rapport à la production séparée des mêmes quantités de chaleur et d’électricité dans des installations modernes de référence.
  • Un marché de certificats verts est créé par l’obligation pour tout fournisseur d’atteindre des quotas. Ceux-ci auront donc une valeur marchande qui s’ajoutera au prix du kWhé produit.

L’Arrêté détermine les règles applicables :

  • La certification des installations de production d’électricité verte et de cogénération : Principes et procédure de certification.
  • Les garanties d’origine de l’électricité produite à partir de sources d’énergie renouvelable.
  • Le mode de calcul de l’économie relative de CO2 et du nombre de certificats verts.
  • Les obligations à charge des fournisseurs d’électricité.
  • Les conditions et modalités de reconnaissance des certificats verts émis par d’autres autorités.

Évolution de l’Arrêté

L’Arrête en RW a suivi un certain nombre de modifications et d’abrogation. Elles se retrouvent sur différents sites officiels comme :

Important

Le Code de comptage énonce les dispositions applicables aux installations de mesure et le comptage liées aux installations de production d’électricité verte ou de cogénération. Une installation de production d’électricité verte ou de cogénération doit répondre aux prescriptions du code de comptage pour pouvoir être certifiée. Celui-ci est disponible ici : Procédures et codes de comptage de l’électricité produite à partir de cogénération en Région walonne (PDF)

Réglementations

 Procédure d’octroi des certificats verts.

Appréhender les exigences en matière de cogénération de qualité

Afin de rencontrer ses objectifs politiques d’amélioration de l’efficacité énergétique et des outils de production d’énergie en relation notamment avec les émissions de CO2, le décret du 12 avril 2001 a particulièrement privilégié les modes de production d’énergie qui sont les plus performants d’un point de vue énergétique et environnemental.

Ainsi, la cogénération de qualité est définie comme étant « une production combinée de chaleur et d’électricité, conçue en fonction des besoins de chaleur du client, qui réalise une économie d’énergie par rapport à la production séparée des mêmes quantités de chaleur et d’électricité dans des installations modernes de référence, dont les rendements annuels d’exploitation sont définis et publiés annuellement ». Actuellement, l’installation de référence pour la production de chaleur est une chaudière ayant un rendement de 90 %. Du côté électrique, il s’agit d’une Turbine Gaz Vapeur (TGV) ayant un rendement de 55 %.

On dira que cette cogénération de qualité produira de l’électricité verte si elle a un taux minimum de 10 % d’économie de CO2 par rapport aux émissions de CO2 d’une production classique dans des installations modernes de référence. »

C’est en fonction de l’économie de CO2 qu’un nombre proportionnel de certificats verts pourra être attribué à une installation de cogénération de qualité pour chaque MWhé produit.

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Évaluer le développement de la filière en Wallonie

Évaluer le développement de la filière en Wallonie

Bilan 2013 en Région Wallonne

Les installations en 2012 ont permis de produire 2140 MWh d’électricité nette (bilan 2013) pour 496 MW électrique installés. La cogénération apporte ainsi 7,1% de la production électrique de la Wallonie.

Production nette d’électricité répartie par type de centrales en Wallonie en 2013 (sources : Electrabel, SPE, CWaPE, ICEDD).

Pour atteindre cette production, le parc de cogénération se répartit suivant les différentes technologies, turbines et moteurs :

Puissance électrique : 519 MWe

Caractéristiques du parc des centrales de cogénération par type d’installation (source : Bilan Icedd – 2013).

La cogénération peut répondre aux besoins des différents secteurs, la puissance installée est majoritairement retrouvée dans les industries, alors que le secteur tertiaire possède un maximum d’unité.  Le secteur tertiaire peut en effet présenter un profil de besoin de chaleur tout à fait adapté pour l’utilisation de la cogénération. L’usage de la cogénération dans le logement, et plus spécifiquement, dans le logement individuel reste marginal.

Répartition de la puissance installée par secteur (source : Bilan Icedd – 2013).

Potentiel économique des cogénérateurs

Une étude a été menée par PWC, l’ICEDD et le Bureau DEPLASSE dans le cadre de la « Directive efficacité énergétique 2012/27 – Art. 14 – Stratégie de réseaux de chaleur et de froid alimentés par des cogénérations et des énergies fatales ».

Sur base de cette étude, le potentiel économique évalué en 2015 pour le développement de la cogénération est le suivant :

  • La puissance thermique est de 85 MWth, dont 44% dans le secteur industriel. La production thermique correspondante est estimée à 458 GWh ;
  • La puissance électrique est de 67 MWé, avec 50% dans le secteur industriel. La production électrique correspondante est de 361 GWh.
TERTIAIRE INDUSTRIE TOTAL

Part du pot. technique
Nombre total d’établissements 2 636 579 3 215
Nombre avec potentiel économique 210 24 234 9,6%
Part du total 8% 4% 7%
Puissance thermique totale kWth 48 078 37 007 85 086 16,1%
Puissance électrique totale kWe 33 288 33 431 66 719 15,6%
Production chaleur cogénérée MWh 218 541 239 714 458 255 14,4%
Production électrique cog. MWh 150 989 210 797 361 085 13,8%

Camembert puissance électrique totale (kWth)Camembert puissance électrique totale (kWe)

Camembert chaleur cogénérée MWhCamembert production électrique cog. MWh

Source : Directive efficacité énergétique 2012/27 – Art. 14 – Stratégie de réseaux de chaleur et de froid alimentés par des cogénérations et des énergies fatales (PWC, ICEDD, DEPLASSE).

Les réseaux de chaleur: une solution intéressante

dimensionnée sur les besoins de chaleur et non sur des besoins en électricité. Cette contrainte peut être considérée comme limitative pour les gros consommateurs en électricité.

Dans des installations ayant un grand besoin électrique, une alternative est alors de surdimensionner l’installation pour le besoin électrique pour autant qu’on valorise adéquatement la chaleur excédentaire. Une solution pour valoriser cette chaleur est de la distribuer dans le voisinage, par le biais d’un réseau de chaleur. Le réseau de chaleur et les installations satellites doivent être conçus pour limiter les pertes et donc maintenir un bon rendement global de distribution, régulation et stockage.

Une étude a été menée par PWC, l’ICEDD et le Bureau DEPLASSE dans le cadre de la « Directive efficacité énergétique 2012/27 – Art. 14 – Stratégie de réseaux de chaleur et de froid alimentés par des cogénérations et des énergies fatales ».

Sur base de cette étude, le potentiel wallon de développement des réseaux de chaleur a été évalué. La Région wallonne possèderait 940 secteurs statistiques avec un besoin linéaire supérieur à 2 000 kWh/an.m, représentant un potentiel énergétique de 13 733 GWh. Ce potentiel est logiquement concentré autour des villes les plus importantes (les plus denses).

Dans ces 940 secteurs statistiques, on dénombrerait 399 549 bâtiments résidentiels et 47 286 bâtiments tertiaires. Les bâtiments résidentiels représenteraient dès lors 89% de ce potentiel, contre 11 % pour le secteur tertiaire.

Notons que suite à la rénovation du parc bâti (rénovations et nouvelles constructions), ce potentiel théorique aura tendance à diminuer au fil des ans, étant donné l’augmentation de la performance énergétique du parc.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be
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Intérêt de la cogénération

Intérêt de la cogénération

Une économie d’énergie significative

Le principe d’une cogénération est de produire simultanément de la chaleur et de l’électricité. Grâce à cette production combinée, les pertes d’énergie se réduisent de manière significative. Ainsi, la cogénération permet d’économiser entre 15 et 20 % d’énergie primaire par rapport à la production séparée de ces mêmes quantités de chaleur et d’électricité.

Pour produire 350 kWhé d’électricité et 530 kWth de chaleur, deux solutions sont possibles :

  • Une unité de cogénération au gaz, avec un rendement électrique de 35 % et un rendement thermique de 53 %, va consommer 1 000 kWh d’énergie primaire .
  • La meilleure centrale électrique (Turbine Gaz Vapeur), avec un rendement de 55 %, va consommer 636 kWh d’énergie primaire. De plus, la meilleure chaudière, avec un rendement annuel de 90 %, va consommer 589 kWh d’énergie primaire. Le total pour les filières séparées s’élève à 1 225 kWh d’énergie primaire.

Cette comparaison met en évidence une économie d’énergie primaire pour une même quantité de chaleur et d’électricité produite.
L’économie d’énergie primaire est alors égale à : 1 225 – 1 000 = 225 kWhp
Exprimée par rapport à la consommation totale d’énergie primaire, la fraction économisée est de :

(1 225 – 1 000) / 1 225 = 18 %

Exprimée par rapport à la consommation d’énergie primaire nécessaire pour la production d’électricité par une centrale TGV, la fraction économisée est de :

(1 225 – 1 000) / 636 = 35 %

La réduction des émissions de CO2 récompensée par des certificats verts

Les émissions polluantes, dont le CO2, sont généralement directement proportionnelles à la consommation d’énergie. Qui dit économie d’énergie primaire pour assurer les mêmes besoins (électriques et thermiques), dit réduction des émissions en CO2.

En Région Wallonne, il est convenu que 1 MWh de gaz naturel émet 251 kg de CO2, non seulement lors de sa combustion, mais également pour sa préparation. De même, 1 MWh de mazout émet 306 kg de CO2 (source : CWaPe – coefficient d’émission de CO2 des énergies primaires – juin 2004).

Ainsi, l’économie d’énergie primaire de 225 kWh, représente :

(1 225 x 0,251) – (1 000 x 0,251) = 307 – 251 = 56 kg de CO2

exprimée par rapport à l’économie totale de CO2 :

56 / 307 = 18 %

Si l’on ramène à la production de 1 MWh d’électricité par l’unité de cogénération, l’économie en CO2 s’élève à 161 kg CO2/MWhé.

Un gain économique attrayant

L’avantage de la cogénération est aussi économique. Une installation de cogénération bien dimensionnée permet à l’utilisateur de réduire sa facture énergétique globale. Le gain sur la facture électrique sera plus important que l’augmentation de la facture d’achat en combustible et d’entretiens.

En effet, par rapport à la situation antérieure (chaudière seule), la cogénération va consommer plus de gaz naturel. Cette surconsommation de 411 kWh (première figure : 1 000 – 589 = 411 « kWh » ) va permettre de produire 350 kWh d’électricité, soit un facteur 1,17.

Autrement dit, la cogénération permet de produire 1 kWh d’électricité avec un peu plus de 1 kWh de gaz naturel. L’intérêt économique est immédiat, car les coûts sont totalement différents. Alors qu’1 kWh de gaz naturel coûte environ 5 c€, l’électricité vaut entre 9 à 17 c€ par kWh.

En complément, afin de récompenser l’effort fait pour réaliser cette économie d’émission en CO2, la Wallonie a mis en place un dispositif de certificats vert. La promotion de l’électricité produite au moyen de sources d’énergie renouvelable ou de cogénération est régie par un arrêté du Gouvernement wallon du 30 novembre 2006, dernière modification par l’arrêté du Gouvernement du 12 février 2015.

Les certificats verts sont exprimés comme un taux d’octroi au MWh électrique produit, avec un maximum de 2,5 CV/MWh (pour demande postérieure au 1/1/2015).  Le taux d’octroi sera d’autant plus important que la cogénération utilise un combustible renouvelable et donc faible émetteur en CO2.

Sachant qu’aujourd’hui le certificat vert est garanti à 65 €, il s’agit d’un soutien à prendre en considération dans un projet de cogénération.

Dans un bilan économique, il faudra donc tenir compte de l’investissement initial, des soutiens financiers, sans négliger les frais d’entretien ainsi que l’amortissement.

Il est possible d’estimer rapidement la taille et la rentabilité d’un projet de cogénération.

Calculs

  Calculer vous-même la rentabilité d’une cogénération : étude de pertinence.

Objectif de la cogénération

L’intégration d’une cogénération aura toujours pour objectif premier de répondre au mieux aux besoins énergétiques en chaleur d’un bâtiment tout en produisant simultanément d’électricité.

Le besoin de chaleur devra être soigneusement défini pour le bien considéré.

Dans une situation idéale, l’intégration de la cogénération doit faire l’objet d’une amélioration énergétique globale d’un projet, et doit donc tenir compte des améliorations énergétiques du bâtiment.  Le besoin en chaleur et donc le dimensionnement du projet sont directement liés à la qualité de l’enveloppe du bâtiment.

Une cogénération mal dimensionnée n’atteindra pas les performances prévues, elle n’aura donc ni la rentabilité énergétique ni économique attendue.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be
Author Image Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

Principe de la cogénération

Principe de la cogénération

C’est quoi la cogénération ?

La cogénération ou production d’énergie totale est une technique de production combinée d’énergie électrique et de chaleur. Son intérêt réside dans les rendements énergétiques supérieurs obtenus par comparaison avec une production séparée équivalente d’électricité et de chaleur

Dans les applications les plus courantes de la gamme de puissance étudiée ici, la cogénération est réalisée à partir d’un moteur à explosion. Il s’agit, en général, d’un moteur alimenté au gaz naturel. Celui-ci entraîne une génératrice qui transforme l’énergie mécanique en électricité. La chaleur contenue dans les gaz d’échappement, dans l’eau de refroidissement et dans l’huile de lubrification peut être récupérée par des échangeurs de chaleur pour produire de l’eau chaude sanitaire ou tout type de chauffage.

Schéma simplifié d’une installation de cogénération.

Autrement dit, il s’agit de récupérer la chaleur perdue des technologies existantes de production d’électricité (type groupes électrogène). Grâce à cette récupération de chaleur, les pertes d’énergie se réduisent de manière significative. Ainsi, la cogénération permet d’économiser entre 15 et 20 % d’énergie primaire par rapport à la production séparée de ces mêmes quantités de chaleur et d’électricité.

Il est également possible d’envisager une installation de cogénération fonctionnant à partir de biomasse suivant le même principe.

Contexte de son développement

La cogénération est une technologie reconnue et en continuelle évolution

L’Union Européenne (UE) doit pouvoir faire face à des défis majeurs : accroître son indépendance énergétique et lutter contre le dérèglement climatique. Pour y arriver, l’UE a adopté en 2008 le paquet « énergie-climat » fixant les objectifs « 3 x 20 en 2020 » suivants :

  • Une diminution de 20 % de la consommation énergétique.
  • Une réduction de 20 % des émissions de gaz à effet de serre.
  • 20 % d’énergie produite à partir de sources renouvelables.

Pour atteindre ces objectifs, l’UE compte énormément sur l’Efficacité Énergétique. En effet, dans sa communication « Énergie 2020 – Stratégie pour une énergie compétitive, durable et sûre » du 10 novembre 2010, la Commission européenne souligne le rôle central de l’efficacité énergétique et la nécessité de dissocier la consommation énergétique et la croissance économique.

Directive Européenne

La directive européenne 2012/27/UE relative à l’efficacité énergétique définit des règles et fixe des exigences minimales à adopter par chaque État membre en terme d’efficacité énergétique en imposant, tant au niveau de l’utilisation de l’énergie que de l’approvisionnement énergétique, des dispositions spécifiques et transversales.

Promotion de la cogénération de qualité

Dans le cadre de l’approvisionnement énergétique, outre le développement des réseaux de chaleur et de froid, et la valorisation de la chaleur fatale en industrie, la directive européenne veut promouvoir la cogénération de qualité. Elle impose aux États membres, pour le 31 décembre 2015, d’évaluer le potentiel d’application de ces technologies sur leur territoire et d’adopter des politiques visant à encourager leur développement lorsqu’une analyse coûts-avantages démontre des avantages supérieurs aux coûts.

Une étude a été menée par PWC, l’ICEDD et le bureau DEPLASSE pour le compte du SPW – SPW Territoire, Logement, Patrimoine, Energie qui évalue le potentiel wallon de développement des réseaux de chaleur et de froid alimentés par co/trigénération. Elle est intitulée : « Rapport final-tâches 1 à 6 : Directive efficacité énergétique 2012/27 – Art. 14 – Stratégie de réseaux de chaleur et de froid alimentés par des cogénérations et des énergies fatales; décembre 2015 ».

Régulièrement, la Région wallonne évalue et améliore le dispositif de soutien au développement de cette technologie par :

  • Le régime de certificat vert ou d’aide à la production dans le cadre du décret du 12 avril 2001 relatif à l’organisation du marché de l’électricité.
  • Un accès prioritaire et non discriminatoire au réseau de distribution d’électricité.
  • Des conditions commerciales plus favorables (éligibilité accélérée) tant pour la vente de l’électricité produite, pour l’achat d’électricité d’appoint ou de secours que pour l’achat de gaz naturel.
  • Un Facilitateur en Cogénération pour accompagner (gratuitement) vos premiers pas.
  • L’organisation de séminaires et de rencontres pour en démontrer toute l’efficacité et la pertinence.
  • Un régime d’aides spécifique au secteur public qui permet le financement de cette technologie.
  • La mise à disposition d’informations techniques et administratives à travers ce module inscrit dans la dynamique d’Énergie+.
  • La mise à disposition de guide, d’outil de pré-dimensionnement (cogencalc) et dimensionnement (cogensim), …

Toutes les conditions sont réunies pour que vous, chef d’entreprise, responsable technique, … franchissiez le pas et participiez à l’effort collectif tout en vous assurant le recours à une technologie moderne à des coûts économiques avantageux.

Découvrez ces exemples de mise en place d’une cogen : le home de la commune d’Anderlecht, et la piscine du Sart-Tilman à Liège.

Objectif

L’objectif de ce module est de fournir un outil de travail simple et pratique aux responsables techniques et aux prescripteurs qui veulent s’investir dans le domaine des petites et moyennes installations de cogénération.
L’utilisateur y trouvera les informations essentielles et des conseils pratiques pour évaluer, concevoir, réaliser et exploiter une installation de cogénération.
Sans se prétendre exhaustif, ce guide aborde de façon systématique les principes de dimensionnement et de mise en œuvre de projet de cogénération en soulignant ses spécificités particulières.
Une description des acteurs institutionnels et des acteurs du marché wallon de la cogénération complète cet outil.
Les informations détaillées dans ce module « cogénération » concernent les installations suivantes :

  • La production d’énergie mécanique est réalisée par des moteurs à gaz ou diesel.
  • Les puissances des installations sont inférieures à 500 kW électriques.
  • La chaleur est récupérée dans les circuits de refroidissement du moteur et dans les gaz d’échappement.
  • La valorisation de la chaleur l’est sous forme d’eau chaude.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 8 Avr, 2016

Abaques de coûts d’investissement et de maintenance des cogénérateurs

Les abaques qui suivent ont été élaborés à partir des caractéristiques d’un échantillon de cogénérateur à moteur à combustibles liquide (diesel, biodiesel ou huile) et gaz (gaz naturel ou biogaz) actuellement sur le marché (en 2014). Ils permettent de déterminer, à partir de la puissance électrique :

  • Son coût d’entretien, avec un contrat « tout compris » (huile, assurance « bris de machine » et dépannages) :

    Schéma abaque 01.

  • Son coût d’investissement (comprenant le prix de base pour une entreprise type; le supplément pour marche en parallèle avec le réseau électrique, y compris les protections nécessaires; conteneur avec capotage acoustique; récupération de chaleur sur cogénération) :

    Schéma abaque 02.

  • Son rendement électrique (αe) à pleine charge :

    Schéma abaque 03.

Attention, les courbes ont été établies pour des valeurs moyennes. Chaque cas est cependant particulier et les valeurs à prendre en considération peuvent s’éloigner de manière significative des valeurs présentées ici. Seule une étude particulière de faisabilité réalisée par un bureau d’études compétent pourra servir de base pour envisager un éventuel investissement.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 8 Avr, 2016

Négocier le contrat de maintenance

Négocier le contrat de maintenance

Source: Cofely.

Les coûts de la maintenance

La durée annuelle de fonctionnement est essentielle pour évaluer le coût de maintenance. En effet, il existe un très gros entretien vers 35 000 – 40 000 heures de fonctionnement du moteur. Le coût de la maintenance est donc lié au nombre d’heures de fonctionnement, quelle que soit la charge du moteur pendant ces heures. Des données typiques relatives aux coûts unitaires de maintenance sont disponibles.

La répartition des coûts de maintenance et de combustible se présente de façon générale dans le rapport 20 % – 80 %.

Par poste, les coûts se répartissent comme montrés dans le graphique suivant.

  • Coût des prestations de conduite 15 %;
  • Coût des prestations de maintenance de premier niveau 10 %;
  • Coût des pièces relatives à la maintenance préventive 40 %;
  • Révision générale 20 %;
  • Assurances 15 %.

La répartition des coûts de maintenance par poste.

Une maintenance primordiale

En moyenne, on parle d’une durée de vie pour un moteur de cogénération de l’ordre de 50 000 heures, soit environ 10 années de fonctionnement selon l’usage. Pendant cette période, il est nécessaire d’effectuer des entretiens régulièrement pour garantir ses performances et la sécurité de l’installation. Dans la plupart des cas, seul ou via un prestataire de service, l’exploitant s’astreint à effectuer certaines opérations simples sur base d’une formation effectuée par l’installateur ou le constructeur. Cette formation doit être décrite dans le cahier des charges. Le prestataire de service pourra effectuer des opérations comme :

  • La conduite journalière (relevés de compteurs et contrôles visuels).
  • Suivant les prescriptions du constructeur : les vidanges et le changement des filtres à huile, des filtres à air ou encore des bougies.

Cependant, le maître d’ouvrage doit obligatoirement sous-traiter à un prestataire de service professionnel ou directement au constructeur les opérations de maintenance plus complexes nécessitant un outillage et des compétences particulières, comme des analyses ou paramétrages du moteur (endoscopie, réglage des culbuteurs, du mélangeur, etc.) ou des interventions sur des pièces maîtresses (l’alternateur, les culasses, le vilebrequin, etc.).

Il est conseillé à l’exploitant d’établir un contrat de maintenance sur la durée de vie du moteur avec le prestataire (ou directement avec le constructeur) où est précisé notamment :

  • la durée du contrat;
  • le coût des prestations qui sera lié à la quantité d’énergie produite;
  • les limites de prestation;
  • les délais d’intervention;
  • …

Établir un contrat est doublement avantageux pour l’exploitant du site : en cas de panne, c’est la garantie qu’un technicien va intervenir rapidement, il n’y a donc pas d’interruption prolongée du moteur; c’est aussi le moyen pour lui de maîtriser ses dépenses annuelles, car ce qu’il doit payer est prévu dans le contrat. Un contrat se négocie lors de la consultation des installateurs, lors des études de conception.

Afin d’obtenir un outil de production adapté à ses besoins, le maître d’ouvrage doit négocier ou définir plusieurs points clés :

  • les garanties des équipements;
  • les garanties de performance;
  • le protocole de réception;
  • le plan de maintenance;
  • une formation adaptée;
  • la liste des pièces détachées minimum et leur prix;
  • le contrat d’assistance technique.

Tout contrat de maintenance comprend aussi les éléments standards suivants :

  • des clauses de résiliation;
  • des clauses d’exclusion;
  • des habilitations du personnel;
  • des modalités de facturation et de paiement;
  • le révision du contrat.

Les éléments spécifiques aux contrats de maintenance de cogénération sont notamment :

  • les équipements concernés : le groupe, les raccordements…
  • les engagements en termes de résultat : taux de disponibilité, puissances fournies, consommations, émissions;
  • les engagements en terme de moyen : délais d’intervention, fourniture des consommables sur place…
  • les obligations du client : conditions de fourniture de gaz, accessibilité de l’installation, information de la société de maintenance avant toute modification, information de la société de maintenance de toute anomalie de fonctionnement.

Les contrats comprennent les clauses relatives aux assurances :

  • L’extension de garantie constructeur sur la période d’amortissement.
  • Elle couvre les frais de main-d’œuvre et de remplacement de pièces défectueuses au-delà de la période de garantie constructeur.
  • Elle peut être négociée directement avec le constructeur indépendamment du contrat de maintenance.
  • Les bris de machine, conclue soit par le client, soit par la société de maintenance et revendue au client.
  • La destruction de tout ou partie des biens assurés (pour cause interne ou cause humaine).
  • Les pertes d’exploitation.
  • La couverture des conséquences financières d’un arrêt ou d’un non-démarrage partiel ou total, quelle qu’en soit la cause (ce qui nécessite des moyens de comptage sur l’installation).
  • Les modalités : pénalités en cas de défaillance électrique et thermique .
  • L’assurance perte d’exploitation n’est pas contractée par la société de maintenance, elle coûterait beaucoup trop cher, mais peut être inclue dans la police d’assurance générale du client.

Le contrat de maintenance est conclu au minimum sur la durée d’amortissement.
Attention de couvrir la révision du moteur si elle a lieu pendant la période d’amortissement.

Les paramètres relevés et archivés ainsi que les alarmes incluses dans la télésurveillance sont à définir explicitement.

Types de contrat

Contrat de type « préventif »

Ce contrat inclut généralement toutes les maintenances prévues dans le plan de maintenance simple du constructeur de la machine à l’exclusion de la maintenance générale des 50 000 heures qui implique souvent la révision complète du bloc-moteur ou son remplacement.

Contrat de type « préventif et curatif » (souvent appelé omnium simple)

Comme son nom l’indique, ce type de contrat comprend la maintenance préventive et la téléassistance. La maintenance curative permet la prise en charge de toutes les interventions résultant d’un arrêt moteur nécessitant le changement d’une pièce détachée du groupe (hors bougies, filtres). Le contrat est régulièrement accompagné d’une garantie de résultat, portant sur la disponibilité de la machine.

Contrat de type garantie simple

En plus de la maintenance préventive, de la téléassistance, de la maintenance curative, ce type de contrat inclut la garantie de disponibilité. Il inclut aussi une assurance bris de machine et couvre les pertes d’exploitation (avec un plafond).

Contrat garantie totale

Ce type de contrat comprend toutes les prestations du contrat « garantie simple », mais aussi la conduite, plusieurs visites par semaine, des réglages du moteur et la réalisation des vidanges.

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Author Image Posted By : Sylvie 8 Avr, 2016

Organiser la maintenance de l’installation

Organiser la maintenance de l’installation

Source : aipower.

Organiser la maintenance

La nature et la fréquence des interventions de maintenance sont définies par le constructeur. Le contrat de maintenance doit suivre ses prescriptions. Si l’expérience le suggère, l’échéancier pourra ou devra être adapté dans un sens ou dans l’autre, en accord avec le constructeur.

Contrairement à la conduite, le personnel doit ici être qualifié. C’est la société de maintenance qui l’effectue, même si elle peut éventuellement déléguer la maintenance de premier niveau.

Toute intervention doit faire l’objet d’un compte rendu qui sera distribué aux intervenants.

La maintenance de premier niveau est effectuée en général plusieurs fois par saison :

  • la vidange du carter d’huile et du réfrigérant d’huile s’il y a lieu;
  • le prélèvement d’huile en vue d’analyse :
    • la recherche de métaux pour en déduire l’usure du moteur et prendre les mesures adéquates,
    • l’oxydation et nitration de l’huile pour déterminer l’acidité de l’huile et adapter la fréquence des vidanges,
    • du glycol dans l’huile signifie une fuite dans le circuit de refroidissement.
  • le nettoyage / changement du filtre à huile;
  • le nettoyage / changement du filtre à air;
  • le graissage des roulements;
  • le contrôle, nettoyage ou changement des bougies;
  • le contrôle du niveau d’électrolyte des batteries de démarrage et remplissage si nécessaire;
  • le complément des liquides de refroidissement;
  • le contrôle de l’état des courroies;
  • la recherche approfondie de fuite;
  • la vérification des jeux aux soupapes;
  • la vérification et resserrage des connexions électriques;
  • le nettoyage du récupérateur de condensat;
  •  …

La maintenance préventive ne s’effectue en général qu’une fois par saison

  • le réglage de l’allumage et de la carburation;
  • le réglage des jeux de culbuteurs;
  • le remplacement des pièces;
  • la vidange et changement des liquides de refroidissement et prélèvements pour analyses;
  • le contrôle et nettoyage des échangeurs;
  • le contrôle général des sécurités;
  • le contrôle des rejets après redémarrage, mesure de la composition des gaz de combustion;
  • le contrôle des extracteurs d’air du local;
  • (endoscopie, contrôle des surfaces internes du moteur).

Remarques relatives au bon déroulement de la conduite et de la maintenance :

  • Les pannes existent et arrivent. Il est nécessaire que la société de maintenance fournisse une équipe efficace avec une télésurveillance appropriée pour garantir des interventions rapides.
  • Les constructeurs autorisent la sous-traitance de certaines actions de maintenance tout en maintenant la garantie.
  • Certains nouveaux moteurs ont des systèmes de contrôle qui remplacent le premier niveau de maintenance : détecteurs de détonation; mélange ajusté par vanne électronique, inversion automatique de l’ordre d’allumage…
  • Des automatismes trop nombreux et complexes multiplient les risques de panne. Un suivi régulier sur place par une personne compétente reste un gage de bon fonctionnement.
  • En pratique, il faut noter que les interventions sont le plus souvent liées à des fuites ou à des erreurs de manipulation.
  • La température d’huile (trop chaude ou trop froide) et les problèmes de viscosité que cela entraîne sont un autre problème régulièrement rencontré. Si une huile est trop chaude, le moteur ne pourra redémarrer avant 2 ou 3 heures.
  • Il existe des prix de maintenance au kWh ou, beaucoup plus fréquent, à l’heure de fonctionnement. Ils ne tiennent pas toujours compte des périphériques. Il importe de définir le contenu de la maintenance dans le contrat. Idem pour les alternateurs, pour la partie électrique et l’aéro réfrigérant.
  • L’analyse de l’huile à chaque vidange, fournie gratuitement par le fournisseur d’huile, est importante, car elle fournit de précieux renseignements.

Tenir un échéancier

Voici à titre d’exemple un tableau de maintenance. À rappeler que chaque constructeur possède souvent son propre plan de maintenance. Dans le cadre d’un projet d’installation d’un système de cogénération, n’oubliez pas de préciser dans le cahier des charges que l’installateur doit vous fournir le plan de maintenance sous forme, par exemple, d’un échéancier à afficher sur l’armoire de commande du cogénérateur.

1/ Fréquence (h) 24 750 1 500 3 600 7 200 10 800 14 400 21 600 43 200
Conduite
Relevé des paramètres X
Contrôle des niveaux X
Contrôle des fuites X
Contrôle des bruits X
Contrôle des vibrations X
Contrôle visuel des fumées X
Contrôle préchauffage X
Maintenance premier niveau
Remplacement filtre huile X
Remplacement filtre air X
Vidange huile X
Contrôle bougies X
Analyse huile X
Nettoyage récupérateur condensat X
Niveaux batteries X
Niveau eau refroidissement X
Graissage roulements alternateur X
Contrôle batteries X
Contrôle courroie X
Contrôle état durites X
Maintenance préventive
Réglage culbuteurs X
Réglage système d’allumage X
Réglage carburation X
Contrôle ligne de gaz X
Endoscopie cylindres X
Remplacement des bougies X
Remplacement faisceau allumage X
Remplacement du liquide de refroidissement X
Remplacement des durites X
Remplacement de la courroie X
Remplacement des batteries X
Contrôle du démarreur X
Remplacement des sécurités X
Contrôle pompe eau BT X
Nettoyage échangeurs chaleur X
Contrôle extracteur X
Révision culasse X
Révision pompe à eau HT X
Contrôle accouplement X
Contrôle plot suspension X
Révision cylindrées X
Révision générale moteur X
Révision alternateur X

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Author Image Posted By : Sylvie 7 Avr, 2016

Assurer la conduite de l’installation de cogénération

Le contrôle des cycles de démarrage/arrêt

Une installation de cogénération nécessite un suivi régulier. On n’oubliera pas cet aspect des choses pour garantir que l’intégration de la cogénération en chaufferie sera positive non seulement d’un point de vue énergétique, environnemental et économique, mais aussi d’un point de vue de la pérennité, et ce tout au long de la durée de vie du cogénérateur.

L’exploitation de l’installation peut être réalisée par le maître d’ouvrage lui-même ou par un tiers qui est, en général, l’entreprise de maintenance.

Outre les Certificats Verts qui représentent le « baromètre » de bonne gestion énergétique, environnementale et financière de l’installation, il est nécessaire que l’exploitant tienne compte du nombre de cycles de démarrage/arrêt du cogénérateur. C’est en quelque sorte « l’électrocardiogramme » du moteur sachant qu’un nombre important de cycles ON/OFF réduit sa durée de vie de manière significative. Certains constructeurs avancent le chiffre de maximum 6 cycles par jour.

Il est tentant d’augmenter la rentabilité du projet de cogénération en faisant fonctionner le système de cogénération en été. Dans certaines installations, heureusement elles ne sont pas majoritaires, on peut observer une fréquence importante de cycles de démarrage/arrêt par jour ! Un chiffre de 80 cycles/jour a déjà été observé. Dans ces conditions, l’installation génère des CV mais à quel prix ?

Sur ce type d’installation, on peut observer les problèmes suivants :

  • S’il y a un turbo, celui-ci s’encrasse vite et casse;
  • Les bougies sont à changer plus souvent;
  • La batterie est à remplacer plus régulièrement que prévu;
  • La consommation d’huile est plus importante;
  • …

De plus, à chaque cycle ON/OFF, le rendement global moyen de l’installation diminue par rapport à une installation qui tourne en continu.

Sans pouvoir montrer des chiffres précis sur la réduction de la durée de vie du cogénérateur en fonction du nombre de cycles de démarrage/arrêt, intuitivement, cette démarche n’est pas recommandée.

Si, lors des étapes précédant l’exploitation, les différents intervenants ont bien fait leur job, c’est ici que la GTC devient très utile à l’exploitant. En effet, il peut en permanence contrôler les paramètres de l’installation, effectuer des enregistrements de données, etc. Même pour les petites installations, il est possible d’interagir à distance avec le régulateur de chaufferie (via les multimédias) et ce afin de contrôler régulièrement le fonctionnement de l’installation de cogénération.

La conduite classique

La conduite classique d’une installation de cogénération permet de se prémunir des risques de panne. Elle comprend généralement les opérations d’exploitation simples et périodiques, notamment :

  • une inspection quotidienne;
  • l’information de la société de maintenance de tout dysfonctionnement;
  • le contrôle des paramètres du moteur :
    • la température de l’eau de refroidissement,
    • la température et pression d’huile,
    • la température d’échappement,
    • la température de l’air dans le collecteur d’admission,
    • la dépression du carter d’huile,
    • la pression différentielle du filtre à huile moteur.
  • le contrôle des niveaux :
    • l’huile du carter,
    • le liquide de refroidissement,
    • la charge des batteries.
  • le contrôle du site et de l’installation :
    • le visuel des différents composants : les fuites ou anomalies apparentes,
    • le visuel des gaz d’échappement,
    • les bruits et vibrations.
  • le contrôle des puissances thermique et électrique produites :
    • la puissance électrique par phase (tension et intensité),
    • la puissance thermique,
    • la températures aux échangeurs,
    • la consommation de combustible.
  • le contrôle du nombre d’heures et de cycles de démarrages/arrêts.
  • la tenue d’un carnet de suivi :
    • assure la qualité du suivi,
    • l’outil de diagnostic pour la société de maintenance.

Le personnel de conduite n’est pas nécessairement qualifié. Il peut s’agir du personnel de maintenance de la chaufferie, mais après une formation minimale comprenant :

  • le schéma général de l’installation,
  • le principe de fonctionnement,
  • les points à contrôler,
  • le système d’arrêt d’urgence.

La télésurveillance assure le relevé (et archivage) de paramètres, ce qui peut faciliter la conduite et la maintenance. Elle génère des alarmes à distance en cas d’anomalie, mais elle ne remplace pas l’inspection quotidienne.
Les paramètres surveillés (et archivés avec date et heure) sont généralement :

  • la température d’huile,
  • la pression d’huile,
  • la température des liquides de refroidissement,
  • les puissances électriques,
  • la dépression filtre à air,
  • les marches / arrêts du module,
  • la pression gaz / niveau mazout,
  • la température d’échappement.

La conduite énergétique

Sur le même principe que la conduite classique où la prévention devrait primer sur les opérations curatives, la conduite énergétique se doit d’anticiper les « dérives énergétiques ». En d’autres termes, un contrôle journalier des compteurs d’énergie devrait permettre d’objectiver le rendement de l’installation. S’astreindre à calculer le rendement quotidien peut paraitre fastidieux d’accord, mais cela permet d’éviter les mauvaises surprises lorsque vous voulez valoriser le fruit de votre production de chaleur et d’électricité. Rien n’est plus désagréable que de ne pouvoir, sur le plan financier par exemple, revendre des certificats verts (CV).

Calcul du rendement énergétique

Le rendement énergétique du cogénérateur se calcule comme le ferait la CWaPE selon le code de comptage. Dans l’exemple repris ci-dessous, le relevé des trois compteurs certifiés par un organisme agréé permettent de calculer le rendement global de l’installation de cogénération:

α=  (Eenp+Eqnv) / Ee

Le rendement thermique du cogénérateur est le rapport entre la chaleur nette valorisée et l’énergie primaire entrante sur la période considérée :

αq = (Eqnv) / Ee

Le rendement électrique est le rapport entre l’énergie électrique nette produite et l’énergie primaire entrante sur la période considérée.

αe = (Eenp) / Ee

Les calculs des rendements électrique, thermique et global permettent d’estimer la santé de votre cogénérateur. Ils peuvent être réalisés de manière simple au moyen d’un tableur Excel ou équivalent.

Calcul du taux d’économie de CO2

Le gain en CO2, exprimé en kgCO2/MWh électrique net produit (MWhé), est obtenu en comparant les émissions respectives de l’unité considérée (F) et les installations classiques de référence.

Pour une unité de production d’électricité à partir de SER et/ou de COGEN de qualité, le gain réalisé par l’unité considérée est égal aux émissions d’une centrale électrique de référence (Eref) augmentées – dans le cas d’une installation de cogénération et/ou de trigénération – des émissions d’une chaudière de référence (Q) et, le cas échéant, d’un groupe frigorifique de référence (Qf) desquelles les émissions de l’installation envisagée (F) sont soustraites :

Un simple calcul du taux d’économie de CO2 permet aussi de vérifier si votre système de cogénération est bien de « qualité « , à savoir génère, entre autres, une économie de 10 % de CO2 par rapport à la référence :

G = Eref + Q + Qf – F (kgCO2/MWhé)

Le taux d’économie de CO2 ou kCO2 est, quant à lui, obtenu en divisant le gain (G) en CO2 de la filière par le CO2 émis par la solution électrique de référence (Eref).

τ =  G/Eref  ≥ 10 %

Relevé des index

En plus d’effectuer le relevé des index trimestriels (à fournir à la CWaPE), un relevé quotidien ou hebdomadaire, selon vos disponibilités, permet de calculer les différents flux énergétiques, rendements et taux d’économie de CO2 :

ΔG = ΔEref +ΔQ + ΔQf – ΔF (kgCO2/MWhé)

kCO2 =  ∆G/∆Eref

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Planifier la maintenance [Cogénération]

Planifier la maintenance [Cogénération]

Définitions

Par exploitation, on entend généralement la conduite et la maintenance.

La conduite est, en plus du pilotage automatique des démarrages, arrêts et modulations de charge, une inspection systématique et périodique des installations : fuites, bruits, vibrations, télésurveillance, archivage selon protocole.

La maintenance comprend une série d’actions visant à maintenir l’outil dans des conditions de fonctionnement lui permettant de remplir son rôle : produire de la chaleur et de l’électricité avec un rendement donné.

La maintenance se situe à 3 niveaux d’intervention :

  1. La maintenance premier niveau : actions simples nécessaires à l’exploitation.
  2. La maintenance préventive : réduire la probabilité de défaillance du système. Un échéancier est établi sur base des données du constructeur et des actions sont prises en fonction de critères prédéterminés sur l’état de dégradation des équipements.
    • réglages,
    • remplacement des pièces usées et des fluides,
    • prélèvements pour analyse,
    • révisions.
  3. La maintenance curative : remettre l’installation en état de fonctionner après une défaillance et éventuellement améliorer l’installation.

La maintenance des installations de cogénération se différencie de la maintenance des chaudières classiques :

  • le moteur nécessite une maintenance qui lui est spécifique;
  • certaines tâches nécessitent une société de maintenance spécialisée;
  • la maintenance implique des arrêts qu’il faut anticiper;
  • la non-disponibilité affecte la rentabilité et doit être prise en considération.

Les enjeux

L’objectif premier de la conduite et de la maintenance est de garantir un bon fonctionnement des installations et de minimiser les risques énergétiques et économiques encourus.

Plusieurs risques sont à prendre en considération pour évaluer l’importance de la conduite et de la maintenance.

Les pertes d’exploitation en cas de mauvais fonctionnement, avec pour conséquences :

  • des pertes de puissance électrique;
  • des pertes de puissance thermique;
  • une surconsommation.

Une usure précoce des composants, avec pour conséquences :

  • la nécessité d’effectuer des réparations;
  • l’indisponibilité des productions de chaleur et d’électricité.

Garantir la rentabilité, c’est un engagement sur les moyens et sur les résultats. L’engagement vise tant la disponibilité que les puissances et les rendements. Une série d’assurances garantit ces risques :

  • l’extension de la garantie du constructeur;
  • la garantie bris de machine;
  • la garantie perte d’exploitation.

L’anticipation de la maintenance dès la conception évite les mauvaises surprises en cours d’exploitation.

  • Les coûts de maintenance non négligeable affectent la rentabilité du projet, notamment si la révision générale du moteur intervient pendant la période d’amortissement du groupe, son coût important est à intégrer dans le coût de maintenance. Toute la faisabilité du projet peut s’en trouver affectée.
  • Les relations doivent être établies rapidement entre les différents acteurs, notamment entre la société de maintenance et le constructeur du groupe de cogénération.
  • L’aménagement du local doit permettre l’accès pour la maintenance.
  • Les raccordements doivent permettre l’isolement du groupe pour la maintenance.
  • Des appareils de mesure en nombre suffisant doivent être installés pour garantir une maintenance préventive efficace.

Les équipements concernés

Ici encore, il est essentiel de délimiter précisément les champs d’intervention de la conduite et de la maintenance et les responsabilités de chaque intervenant.

Les organes suivants font l’objet de surveillance

  • Le groupe de cogénération et tous ses composants :
    • le moteur;
    • l’alternateur;
    • l’échangeur de chaleur;
    • l’armoire électrique et système de régulation;
    • le silencieux;
    • le pot catalytique, régulation et contrôle compris;
    • l’aéro-réfrigérant;
    • les batteries de démarrage et batteries système;
    • la ventilation.
  • Le raccordement hydraulique au circuit d’utilisation :
    • les liaisons;
    • les vannes;
    • les pompes.
  • L’approvisionnement en combustible :
    • la pression si gaz;
    • le niveau si mazout;
    • le comptage.
  • L’évacuation des gaz
  • Le raccordement électrique :
    • les câbles de puissance;
    • le raccordement de la régulation;
    • le raccordement de la protection de découplage.

Les intervenants

Voici un bref descriptif des relations entre les principaux intervenants de l’exploitation.

Le client

  • Il est propriétaire du bien objet de la maintenance.
  • Il n’a pas de compétence particulière.
  • Il choisit la société de maintenance et choisit la répartition des tâches.

L’exploitant de la chaufferie

  • Il est à impliquer dans la conduite.
  • Il peut conduire le groupe avec une délégation par la société de maintenance.
  • Il doit se conformer aux exigences de la société de maintenance.

La société de maintenance

  • Cela peut être le constructeur lui-même ou le fournisseur.
  • Cela peut être une société agréée par le constructeur ou une société indépendante.
  • Elle doit disposer de la logistique, du personnel, de l’outillage, des relations avec le fournisseur, des assurances et de garanties de respect d’astreinte.

Le tableau suivant montre les responsabilités de chaque intervenant.

Surveillance

Maintenance
premier niveau

 Maintenance
préventive		 Maintenance
curative

Client

Possible

Non

 Non Non

Exploitant de chaufferie

Possible

Oui

 Non Non

Société de maintenance

Télésurveillance

Oui

 Oui Oui

Remarques relatives à la répartition des tâches :

  • Le partage des tâches ne doit pas interférer sur les garanties.
  • Chaque intervenant prend en charge les conséquences financières de ses travaux et prend des assurances nécessaires.

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Choisir le raccordement électrique [cogen]

Câble de puissance et protections classiques

Comme toute installation électrique, le dimensionnement complet des câbles et des protections se calcule selon le R.G.I.E. (Règlement général sur les installations électriques).

En particulier, l’ajout d’une nouvelle source d’énergie influence le dimensionnement des équipements de protection contre les courts-circuits et des sections de câbles.

Toute source d’énergie électrique est caractérisée par un courant (ou une puissance) de court-circuit (Icc ou Pcc), c’est-à-dire le courant qui circulerait dans l’installation si elle était en court-circuit. Si une nouvelle source d’électricité est ajoutée à l’installation, son courant de court-circuit s’en trouve modifié.

Les disjoncteurs protègent les charges contre les défauts du réseau. De même que les circuits de puissance, ils sont dimensionnés à partir, notamment, du courant de court-circuit (Icc). Si une nouvelle source de courant est ajoutée, il est nécessaire de vérifier la capacité des disjoncteurs à protéger efficacement les charges contre le nouveau Icc et la tenue des circuits aux nouveaux défauts potentiels.

De plus, les câbles entre le point de raccordement et l’alternateur doivent être protégés de part et d’autre (réseau et cogénération) contre un court-circuit. Ce qui implique la nécessité de disposer de la Pcc au point de raccordement de la cogénération.

Protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau

En tous cas, le système de protection sera à prévoir en concertation avec le distributeur local et fera l’objet d’un accord préalable. De plus, avant toute mise en œuvre du système de protection, celui-ci devra être accepté par un organisme agréé pour le contrôle des installations électriques qui le vérifiera à la mise en service (aux frais de l’autoproducteur). Ceci signifie également que les équipements de protection utilisés doivent être agréés.

Protection de découplage ou production décentralisée

Lorsqu’un client désire raccorder une unité de production décentralisée au réseau de distribution, le distributeur local doit évaluer si le client peut (ou pas) injecter du courant sur le réseau MT ou directement sur le poste source.

Cette limitation est à fixer conjointement :

  • par le service commercial du distributeur pour des raisons contractuelles (contrat de fourniture);
  • par l’exploitant du réseau au regard des charges et de la capacité du réseau.

Si le client peut injecter son énergie électrique sur le réseau, cette puissance sera limitée par la protection générale BT ou MT du client et une protection de découplage est obligatoire.

La protection de découplage utilise souvent le saut de vecteur. Le saut de vecteur est une protection qui identifie un saut de déphasage dans le champ électrique tournant, supérieur à une consigne.

Cette protection protège non seulement le réseau, mais également l’alternateur. Dans environ 1 % des cas cependant, elle peut être mise en défaut. Si toute la charge de l’utilisateur est alimentée par la cogénération, il n’y a quasiment pas de puissance qui transite par la cabine HT. Dans ce cas, lors d’un déclenchement, deux cas sont possibles. Si des charges existent sur la même portion de réseau, lors du déclenchement, l’impédance va varier brusquement, c’est-à-dire que le groupe va soudainement essayer d’alimenter ces charges et le saut de vecteur va déclencher. Si les charges sont trop faibles, l’impédance vue par le groupe ne variera presque pas lors du déclenchement, et le saut de vecteur ne se déclenchera pas.

En cas de saut de vecteur, le dispositif ouvre le disjoncteur au niveau du groupe.

S’il s’agit d’une micro-coupure, lorsque le réseau revient, la tension revient (la bobine du disjoncteur principal est alimentée par la tension réseau) et une reprise de parallèle permet le recouplage.

Si le réseau ne revient pas, le verrouillage du disjoncteur principal permet le fonctionnement en groupe de secours (pour les machines synchrones uniquement).

Lorsque le réseau revient après un fonctionnement en groupe secours, deux options sont possibles. Dans la première solution, le dispositif détecte la tension du réseau, ouvre le disjoncteur du groupe secours, ferme le disjoncteur principal et, comme pour une micro-coupure, reprend la parallèle, le tout en un temps très court, de l’ordre de 0,2 seconde.

L’alternative est une synchronisation arrière, c’est-à-dire une modulation de la puissance du moteur pour atteindre le synchronisme avec le réseau, tout en continuant à alimenter les charges électriques. Elle est cependant plus difficile, car il existe des charges très variables comme les ascenseurs qui font varier plus ou moins brusquement tension et fréquence.

L’ensemble des protections revient à environ 2 250 – 2 500 €. Les coûts d’une bascule et d’une parallèle réseau sont comparables l’un à l’autre et tournent autour de 7 500 €.

Protection directionnelle ou autoproduction

Si on sait que la consommation est supérieure à la production de la cogénération, on place une protection directionnelle.

La protection à prévoir est un relais directionnel de courant ou d’énergie active qui déconnecte le moteur du réseau si de l’énergie est envoyée vers le réseau par exemple, lorsque le réseau tombe en panne.

Cette protection est plus simple et donc moins chère que la protection de découplage.

Synchronisation de la génératrice synchrone

Les synchroniseurs sont très rapides et les modulations de fréquence et de tension sont minimes. Dans la majorité des cas, les modulations de fréquence et de tension respectent les limites des appareils, le recouplage peut donc se faire sans coupure. Le prescripteur vérifiera cependant l’existence ou non d’appareils particulièrement sensibles parmi les équipements du client et imposera le cas échéant une coupure de l’alimentation pour synchroniser.

Lorsque le groupe tourne, il est important d’éviter toute modification de la position des disjoncteurs de la cabine HT (avant ou après le transfo). En effet, si le groupe est en parallèle sur le réseau, il y a un risque de déclencher un saut de vecteur; si le groupe tourne en secours, il y a un risque d’une prise de parallèle non synchronisée. Il est vivement conseillé d’installer un boîtier à destination du distributeur dans la cabine HT, avec une lampe témoin allumée si le groupe est en parallèle et un interrupteur pour couper le groupe ou empêcher la prise de parallèle.

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Choisir le raccordement hydraulique [cogen]

Préambule

L’insertion d’une unité de cogénération de petite taille dans un système de chauffage centralisé est une question complexe. Chaque système de chauffage a ses spécificités et rend le raccordement hydraulique d’une cogénération unique. En outre, il n’existe pas de prescriptions techniques spécifiques auxquelles un installateur doit ou peut se conformer.

Voici repris une série de critères de dimensionnement et de caractéristiques relatifs aux différentes possibilités de raccordement de la cogénération.

  • Étude de l’installation de chauffage existante
  • Critères généraux
  • Exigences côté cogénération
  • Raccordement en série
  • Raccordement en parallèle
  • Aéro-réfrigérant

Étude de l’installation de chauffage existante

La connaissance et l’optimalisation de l’installation de chauffage existante sont un préalable important au bon fonctionnement futur de l’installation combinée. Un schéma hydraulique à jour de l’installation existante est donc indispensable.

Il faut principalement être attentif à l’adéquation des débits. Si ceux-ci sont surdimensionnés, les températures de retour de l’installation seront plus élevées que la normale. La diminution de la vitesse des pompes ou le placement de pompes à vitesse variable s’imposent donc parfois en préalable à la cogénération.

Cette étude est relativement simple pour les installations de taille modeste.

Par contre, pour les grosses centrales de chauffe, desservant plusieurs utilisateurs (sous-stations), une simulation des flux d’eau dans l’installation peut être nécessaire, pour en connaître le plus précisément possible le comportement : que se passe-t-il lorsque telle vanne s’ouvre, lorsque telle chaudière s’enclenche …

Critères de sélection

  • Ne pas créer de pertes de charge dans le circuit du client.
  • Assurer le débit d’eau au moteur quel que soit le mode de fonctionnement ou la charge.
  • Ne pas augmenter la température de l’eau à l’entrée du moteur par des mélanges.
  • Rendre possible l’isolation du circuit d’utilisation pour faire fonctionner la chaufferie sans le groupe de cogénération.
  • Prévoir un système de vidange du circuit hydraulique simple.
  • Prévenir les problèmes de corrosion et d’hydrolyse dans le circuit de refroidissement.

Le risque majeur à éviter dans la combinaison chauffage-cogénération est une température d’eau de retour trop élevée vers le moteur. Comme expliqué dans le chapitre relatif à la régulation, une température trop élevée peut entraîner une instabilité de l’enclenchement / déclenchement du moteur.

Concrètement, il faut que la température de l’eau à l’entrée du moteur soit inférieure à 85 °C si on récupère la chaleur uniquement sur l’eau de refroidissement et sur les fumées, à 75 °C si on récupère de la chaleur également sur le circuit d’huile et à 40 °C si on récupère sur le refroidissement du mélange air-gaz après turbocompression (pour les gros moteurs).

Côté refroidissement du moteur, des problèmes de corrosion et d’hydrolyse dans le circuit de refroidissement peuvent engendrer des problèmes aux joints des pompes à eau par exemple. La séparation des circuits de refroidissement du moteur (water jacket) du reste de l’installation hydraulique confine le problème. La solution est alors d’analyser la qualité de l’eau et de définir les additifs qui neutralisent les polluants. L’isolation des échangeurs de refroidissement du moteur et du circuit de lubrification permet de n’ajouter les additifs que dans un circuit local, au contraire d’un circuit unique, qui impose l’ajout des additifs en question au niveau des circuits de chaleur dans leur ensemble. La séparation des circuits de refroidissement du moteur offre en outre l’avantage de minimiser les pertes de charge dans le circuit client.

Raccordement en série

Configuration série sans ballon de stockage

Raccordement série (dérivation sur retour principal) sans bouteille de mélange :

  • Éviter le recyclage dans le circuit du retour du groupe.
  • Sélectionner une puissance du groupe inférieure à la puissance de la chaudière prioritaire pour garantir un débit suffisant.
  • La priorité est donnée naturellement à la cogénération.
  • Pas de conséquence négative lors de l’arrêt du groupe.
  • Maintien d’une régulation classique des chaudières.

Raccordement en série.

Le raccordement en série est la solution la plus simple. C’est elle qui présentera le moins de difficultés au niveau de la compatibilité hydraulique avec l’installation de chauffage existante. Elle est donc à conseiller pour les petites installations pour lesquelles une simulation du comportement hydraulique de l’ensemble serait trop coûteuse par rapport à l’investissement total.

Dans ce type de raccordement, une partie de l’eau est préchauffée par le cogénérateur. Si celui-ci ne développe pas une puissance thermique suffisante par rapport aux besoins instantanés, l’eau sera postchauffée par les chaudières.

L’inconvénient du raccordement en série provient du fait qu’une des chaudières est en permanence parcourue par de l’eau chaude même lorsqu’elle est à l’arrêt. On subit donc ses pertes à l’arrêt (y compris en été si le cogénérateur est dimensionné pour produire de l’eau chaude sanitaire). Elles peuvent être importantes sur des anciennes chaudières mal isolées et dont le brûleur est en permanence ouvert vers la cheminée (brûleurs sans clapets, chaudières atmosphériques).

Par contre, l’avantage est de pouvoir profiter du volume de la chaudière pour réaliser un stockage lorsque la demande instantanée de chaleur est fluctuante et inférieure à la production du cogénérateur. Ce volume de stockage est cependant limité par rapport à un ballon tampon séparé.

Le by-pass du cogénérateur sera dimensionné pour qu’un débit suffisant traverse le cogénérateur.

Une attention particulière devra être portée à ce problème si le circuit primaire est conçu pour fonctionner à débit variable (circuit avec une pompe d’alimentation par chaudière, circuit primaire ouvert sans pompe primaire et circuits secondaires avec vannes mélangeuses, …). Par exemple, si chaque chaudière possède sa propre pompe, le débit d’une chaudière doit être plus élevé que le débit du cogénérateur, faute de quoi celui-ci sera insuffisamment refroidi.

Configuration série sans ballon avec by-pass

Une autre configuration qui évite les pertes à l’arrêt dans les chaudières est le placement avantageux d’un by-pass. Attention toutefois au coût des vannes 3 voies par rapport à l’avantage que l’on retire de ne pas générer des pertes à l’arrêt dans une des chaudières.

Schéma de configuration série sans ballon avec by-pass.

Configuration série avec ballon

Quelques constructeurs proposent une configuration série avec ballon tampon. Le débit total de retour du collecteur traverse le ballon. On ne peut pas vraiment parler de ballon de stockage vu qu’il n’y a pas de stratification. On parlera plutôt d’augmentation de l’inertie du réseau. Pour autant que les conduits d’entrée et de sortie du ballon soient bien dimensionnés, le ballon tampon agit comme un large collecteur à faibles pertes de charge et perturbant peu les équilibres hydrauliques de la chaufferie existante. On peut comprendre que cette configuration soit intéressante, car hydrauliquement elle est simple et peut donner de bons résultats en termes de courts cycles du cogénérateur.

Schéma de raccordement série avec bouteille de mélange.

Raccordement série (dérivation sur retour principal) avec bouteille de mélange

Il est impératif de :

  • Placer la bouteille verticalement pour garantir l’indépendance hydraulique des circuits.
  • Placer la pompe en série avec le circuit hydraulique de refroidissement du moteur pour garantir le débit.
  • La priorité est donnée naturellement à la cogénération.
  • Pas de conséquence négative lors de l’arrêt du groupe.
  • Maintien d’une régulation classique des chaudières.

Le raccordement du cogénérateur en amont de la bouteille (B) est préférable au raccordement en aval (A) étant donné la possibilité de retour d’eau chaude vers les chaudières au travers de la bouteille, ce qui réduirait le refroidissement du moteur.

Schéma de raccordement série avec bouteille de mélange.

Cogénérateur raccordé en série sur les chaudières dans un circuit avec bouteille casse-pression
(principe applicable à un raccordement en parallèle)

Raccordement en parallèle

  • Pas de perte par irrigation des chaudières lorsque la cogénération suffit.
  • La priorité n’est pas donnée naturellement à la cogénération.
  • Gestion spécifique de séquence des chaudières.
  • Un dimensionnement précis de la pompe dont le calcul est délicat est nécessaire (alternative : un variateur de vitesse).

Schéma de raccordement en parallèle.

Raccordement en parallèle

L’intégration hydraulique en parallèle dans une chaufferie existante demande plus de modifications de la « tuyauterie » qu’une intégration en série et une régulation plus fine. Cependant, on peut pointer plusieurs avantages importants de la mise en parallèle d’une cogénération : à l’inverse de la configuration série classique (sans by-pass des chaudières), il n’y a pas de passage de l’eau chaude dans les chaudières lorsque la cogénération seule fonctionne. On n’a donc pas de pertes à l’arrêt au niveau des chaudières si elles ne sont pas irriguées. Mais cela nécessite naturellement de dimensionner les conduites de raccordement du ballon de stockage de manière à laisser passer le débit total.

De plus, dans des chaufferies modernes équipées de chaudières à condensation, pour autant que la température de retour au circuit primaire soit bien maîtrisée, la configuration parallèle permet de valoriser la chaleur de condensation lorsque les chaudières viennent :

  • En support de la cogénération en période froide.
  • En remplacement de la cogénération en période chaude lorsque les besoins de chaleur deviennent trop faibles, et ce pour éviter les courts

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Choisir la génératrice [Cogen]

Puissance électrique

La puissance électrique de la génératrice est déterminée lors du dimensionnement des équipements. Si le dimensionnement s’est limité à une évaluation grossière des puissances nécessaires, des investigations supplémentaires selon la même méthodologie compléteront et valideront les résultats.

La puissance active de la génératrice doit par ailleurs correspondre à la puissance mécanique fournie par le moteur, avec une marge au-dessus de la puissance nominale du moteur.
Le régime de tension est déterminé par la tension de l’installation électrique sur laquelle la génératrice sera connectée.

Le cogénérateur est souvent raccordé au réseau basse tension du consommateur. On peut aussi le raccorder sur un réseau de secours propre du bâtiment qui reprendrait les éléments vitaux à maintenir en fonctionnement en cas de panne du réseau de distribution. Cela doit évidemment être prévu lors de la conception du réseau électrique interne.

Génératrice synchrone ou asynchrone ?

Le choix entre une génératrice synchrone ou asynchrone dépend essentiellement de la volonté de fonctionner en groupe secours (version synchrone) ou non (version asynchrone).

La version asynchrone est de conception plus simple et est donc moins chère. Par exemple, un fournisseur présent sur le marché propose le cogénérateur de 30 kWé asynchrone 3 000 euros (HTVA) moins chers que la même machine couplée à un alternateur synchrone (pour un investissement total de l’ordre de 50 000 €).

Deux inconvénients apparaissent cependant :

  • La puissance électrique de la machine asynchrone ne pourra être trop importante par rapport à la puissance totale appelée par l’établissement (on parle de maximum 30 % de la puissance appelée) de manière à ne pas perturber le cos phi de l’établissement. Il sera peut-être nécessaire d’installer une batterie de condensateurs afin de compenser le mauvais cos phi de l’installation.

 

  • La génératrice asynchrone ne peut fonctionner sans alimentation du réseau. Dans ce cas, il lui est impossible de fonctionner comme secours lorsque celui-ci est coupé. Seul un alternateur synchrone est alors envisageable.

Certains fournisseurs proposent un même moteur raccordé soit à une génératrice asynchrone, soit un alternateur synchrone. Selon la gamme de puissance, le standard sera la version synchrone ou asynchrone. Pour les puissances inférieures à 500 kW, malgré son coût, le standard est la machine synchrone, livrée avec l’ensemble des équipements de synchronisation.

Attention finalement au sens du flux d’air autour de la cogénération. Les génératrices fonctionnent à 40 °C maximum. Si l’air passe d’abord autour du moteur, il risque d’être à plus de 40 °C et de ne plus refroidir correctement la génératrice.

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Choisir le moteur [Cogen]

Critères de sélection

Les critères mentionnés au niveau du cogénérateur s’appliquent en réalité aux moteurs et sont donc d’application pour la sélection du moteur.

Attention à la qualité ! Des moteurs de bonne qualité peuvent donner une disponibilité de 95 % sur les 24 h de fonctionnement quotidiennes ! De nombreux problèmes sont dus au choix de machines trop justes, que l’on fait travailler à leurs limites. Dans le même ordre d’idée, l’état des machines (bougie, filtres, huile, échangeurs, soupapes, réglages divers comme les culbuteurs…) et leurs performances évoluent avec le temps, il faut en tenir compte dès le dimensionnement.

D’autre part, le prescripteur doit déclasser le moteur pour garantir son bon fonctionnement selon le nombre d’heures de fonctionnement et le niveau de puissance. Dans le cas contraire, le moteur risque de s’épuiser prématurément ce qui se traduirait par des chutes de rendements, voire de casser avant la fin de son amortissement.

Pour chaque moteur, le constructeur garantit des performances selon l’usage qui en est fait. Le fonctionnement en stand-by, comme son nom l’indique signifie que le moteur reste la majorité du temps à l’arrêt et ne démarre que pour des occasions particulières comme une panne de courant. Le fonctionnement, en prime, est un fonctionnement plus fréquent avec des arrêts et éventuellement des modulations de charges réguliers. Le fonctionnement en base est un fonctionnement quasi continu du moteur.

La nécessité de placer un pot catalytique résultera de la comparaison des données des constructeurs concernant le moteur sélectionné aux normes en vigueur, c’est-à-dire au permis d’environnement. Il en est de même pour le bruit, avec les limitations supplémentaires que le client peut éventuellement ajouter, comme dans le cas d’un hôtel par exemple.

Lorsque l’installation thermique ne permet pas de garantir une température de refroidissement du moteur suffisamment constante et basse, il est nécessaire d’adjoindre un aéro-réfrigérant de secours qui ne sert qu’exceptionnellement ou de réduire la charge du moteur. Ces dispositions évitent l’échauffement et l’explosion du moteur en cas de refroidissement insuffisant par l’installation thermique censée consommer la chaleur.

Sur les groupes au fuel, une sonde de contre pression permet de détecter un encrassement. Cet encrassement indique la nécessité ou non de nettoyer l’échangeur placé sur l’échappement afin de protéger le moteur. Si l’encrassement devient trop important, le moteur ne se trouve plus dans les conditions de pression optimale, le rendement chute et le moteur risque même une explosion si la perte de charge sur l’échappement devient trop importante. C’est pour cette raison que certains motoristes ne garantissent plus leurs moteurs si des échangeurs de chaleur sont placés sur les échappements.

Certains motoristes fournissent un équipement complet optimisé. Il appartient au prescripteur d’étudier la bonne adéquation entre une solution standard et les besoins spécifiques du client.

Moteur gaz ou diesel ?

D’un point de vue énergétique et environnemental

Tout dépend du combustible disponible à proximité immédiate. Au niveau des énergies fossiles, le gaz est « environnementalement » parlant mieux côté que le diesel, le coefficient du gaz naturel est inférieur à celui du diesel, raison pour laquelle les cogénérateurs gaz reçoivent plus de certificats verts que les moteurs diesels.

Les cogénérateurs à condensation de petite puissance sont de plus en plus présents sur le marché. La condensation de la fraction de vapeur d’eau contenue dans les gaz de combustion (théoriquement de 10 % pour le gaz) permet d’améliorer le rendement global du cogénérateur. La condensation des gaz de combustion issue des moteurs à gaz est moins problématique que celle issue des moteurs diesel sachant que le diesel contient du soufre qui se retrouve dans les gaz de combustion. À la condensation, le soufre se mélange à l’eau et forme un mélange acide corrosif pour les échangeurs et les conduits d’évacuation de gaz. Pour les  puissances importantes, il y a lieu de traiter les condensats. À l’inverse, les condensats des cogénérateurs gaz à condensation peuvent être rejetés directement à l’égout.

D’un point de vue mécanique

Comme caractéristique principale, un moteur gaz est nettement moins réactif au démarrage qu’un moteur diesel. Ce manque de réactivité, justifierait que le moteur gaz, et c’est d’actualité, ne soit pas utilisé comme groupe de secours en cas de « black-out ». Cependant, un cogénérateur au gaz, moyennant la présence d’un système intelligent de gestion de charge sur site, pourrait, suite à une coupure de réseau, redémarrer en groupe secours. Par exemple, la charge électrique du cogénérateur pourrait « monter en puissance » de 10  à 100 % dans un délai préprogrammé au niveau des circuits secours d’un hôpital.

La figure ci-dessous permet de rendre compte que le temps de synchronisation d’un moteur gaz sur le réseau est relativement long en comparaison au moteur diesel.

Schéma sur temps de synchronisation d’un moteur gaz / moteur diesel.

Temps de synchronisation d’un moteur gaz et diesel.

De plus, les moteurs gaz rencontrent également certaines difficultés face aux variations de charge. En effet, un des problèmes majeur des moteurs gaz est la gestion de la marche en régime transitoire. La réponse transitoire d’un moteur gaz, défini comme étant la réponse d’un système face à une variation de charges, est dès lors plus longue que pour un moteur diesel comme le montre la figure suivante :

Représentation d’une variation de charge autour de l’équilibre de base.

Dans un moteur diesel, l’injection se fait directement au niveau de la chambre de combustion tandis que pour un moteur gaz, le mélange gaz/air a lieu en amont de la chambre de combustion. C’est dès lors une des raisons pour laquelle un moteur gaz est caractérisé par une moindre robustesse.

Pour pallier le manque de réactivité rencontré dans un moteur gaz, les fabricants travaillent actuellement sur un projet visant à augmenter cette réactivité. Comme illustré à la figure suivante, le gaz est directement injecté dans la chambre de combustion, notamment grâce au système en développement HPDI (High Pressure Direct Injection).

Projet visant à l’injection directe de gaz à haute pression dans la chambre de combustion (Caterpilar).

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Synchronisation au réseau [cogen]

Principe

Dans la plupart des cas, la cogénération comme la plupart des installations décentralisées de production d’électricité est connectée au réseau pour y injecter l’excédent.
Afin de pouvoir réaliser cette connexion, il est indispensable de synchroniser le cogénérateur au réseau.

Préalablement au couplage réseau, la production décentralisée doit être mise en route avec une fréquence de rotation aussi proche possible que celle du réseau (f = 50 Hz) et une tension entre deux phases de la machine qui ait une valeur voisine de la tension entre deux phases du réseau.

Les conditions de couplage de l’alternateur sur le réseau doivent être impérativement respectées. Sans le respect des conditions de couplage, la destruction de l’alternateur est presque inéluctable.

Les conditions sont :

  • La fréquence de l’alternateur est la même que celle du réseau (ω ~ ω’). Une non-concordance des fréquences peut provoquer des retours de puissance de la part du réseau ou des couplages en opposition de phases.
  • La tension de toutes les phases de l’alternateur est identique à celle des phases du réseau (U ~ U’). Des différences de potentiel entre les phases de l’alternateur et celles correspondantes du réseau entraineraient la création de courants de circulation très élevés dans les enroulements de l’alternateur.
  • la concordance des phases est la même. En d’autres termes : « le fil rouge sur le bouton rouge … » ou, plus sérieux, les phases L1, L2, L3 (R, S, T) de l’alternateur doivent correspondre aux phases L1, L2, L3 (R, S, T) du réseau. Comme pour l’égalité des phases, la non-concordance des phases engendre des courants de circulation très élevés.

Sur le schéma présenté, les deux triades présentent une succession identique des tensions, les triades ont des fréquences proches, mais légèrement différentes représentées par la vitesse angulaire de glissement ωg. Les tensions entre les bornes 11’ ; 22’ ; 33’ s’annulent (presque) et sont au maximum simultanément (~2U).
Le couplage sera réalisé lorsque la tension 11’ est minimum. L’alternateur se synchronisera automatiquement au réseau en reprenant sa vitesse et tension.

En pratique … appareils de synchronisation

Schéma de principe de  montage des appareils de synchronisation.

Synchronoscope

Photo synchronoscope.

Cet appareil est muni d’un moteur dont la vitesse de rotation dépend de la différence entre les fréquences du réseau et de l’alternateur. La mise en parallèle s’effectue au passage à l’équilibre. Deux cas peuvent se présenter :

  • La partie gauche du cadran : il faut augmenter la vitesse de l’alternateur.
  • La partie droite du cadran : il faut réduire la vitesse de l’alternateur.

La méthode des 3 lampes

Auparavant, pour s’assurer de la concordance des phases lors de l’installation d’un nouvel alternateur, 3 lampes étaient montées de part et d’autre de l’interrupteur de couplage (voir le schéma de principe ci-dessus) :

  • Lorsque la concordance des phases est respectée, les 3 lampes s’éteignent et s’allument ensemble quand le synchronisme est proche.
  • À l’inverse, les 3 lampes s’allument et s’éteignent les unes à la suite des autres. Il est nécessaire de changer l’ordre des phases au niveau de l’interrupteur de couplage.

Le voltmètre différentiel

Photo voltmètre différentiel.

Il mesure la différence de tension de part et d’autre de l’interrupteur de couplage.
Le couplage se fait lorsque le voltmètre passe par 0 :

  • En négatif, la tension de l’alternateur est inférieure à celle du réseau.
  • À l’inverse, en positif, la tension de l’alternateur est supérieure à celle du réseau.

Le fréquencemètre

Photo fréquencemètre.

Des fréquencemètres branchés au niveau du réseau et du circuit de l’alternateur permettent de comparer si les fréquences sont proches.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 6 Avr, 2016

Monotone de chaleur [cogen]

Principe

La monotone de chaleur est le graphique de la demande de chaleur mesurée heure par heure sur une année et classée par ordre décroissant.

Établissement d’une monotone de chaleur sur base du profil de consommation de chaleur. La courbe donne le nombre d’heures où le besoin en chaleur correspond à la puissance définie en ordonnée.

Intérêt

La monotone de chaleur sur une année permet de sélectionner le meilleur compromis entre une puissance thermique plus ou moins importante et le nombre d’heures de fonctionnement auquel cette puissance pourra fonctionner. Une faible puissance fonctionnera longtemps et de façon continue, alors qu’une grande puissance fonctionnera moins longtemps et de façon plus discontinue.
La monotone de chaleur traduit aussi une image fidèle du profil énergétique d’un bâtiment. Elle intervient, entre autres, dans l’évaluation de la puissance d’un cogénérateur. En effet, l’objectif d’une étude de faisabilité pour un système de cogénération est de maximiser la production d’énergie thermique. En d’autres termes, l’optimum énergétique d’un cogénérateur est matérialisé par la plus grande surface sous la monotone de chaleur.

Exemples

La comparaison des trois aires nous donne une indication à la fois au niveau énergétique et de la puissance thermique à prévoir pour le cogénérateur.

 

Données

 Les monotones de chaleur relatives aux « profils types de consommation.

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Author Image Posted By : Sylvie 6 Avr, 2016

Modulation de puissance [cogen]

Modulation de puissance [cogen]

Principe

Lorsqu’on parle de la modulation de puissance d’un groupe électrogène, on parle bien de la puissance électrique. Paradoxalement, la modulation de puissance d’un cogénérateur est basée sur la variation de la puissance thermique. Bien qu’il entraine aussi un alternateur comme le groupe électrogène, le cogénérateur est avant tout un générateur de chaleur et accessoirement d’électricité. Vu qu’ils sont « tous les deux unis pour le meilleur et pour le pire », la modulation de puissance thermique est intimement liée à celle de la puissance électrique.

Quel que soit le type d’alternateur, la modulation de puissance passe essentiellement :

  • Par la variation de la vitesse du cogénérateur équipé d’un alternateur asynchrone.
  • Par la variation du couple mécanique du cogénérateur équipé d’un alternateur synchrone.

L’intérêt de la modulation de puissance

La modulation de puissance est intéressante surtout pour maintenir une production électrique lorsque les besoins thermiques du circuit de chauffage connecté au cogénérateur diminuent, mais aussi pour réduire les séquences de démarrages/arrêts nuisibles à l’intégrité mécanique du moteur.

Par exemple, lorsque le cogénérateur injecte sa chaleur dans un ballon tampon qui est proche de sa consigne de température, le système de régulation du cogénérateur peut être prévu pour réduire la charge thermique de ce dernier. Dans ce cas, le cogénérateur continue à fonctionner à taux de charge partiel tout en maintenant une production d’électricité.

Attention cependant qu’à charge partielle, le rendement électrique se dégrade rapidement. En pratique, lorsque le cogénérateur est prévu pour travailler en modulation de puissance, les constructeurs proposent de ne pas descendre sous les 60 % de la puissance électrique nominale.

Le cas des alternateurs asynchrones

La modulation du taux de charge d’un cogénérateur est assez particulière lorsque l’alternateur est de type asynchrone. Pour rappel, la machine asynchrone en mode générateur doit fonctionner en « survitesse » par rapport à la vitesse du champ tournant du stator fourni par le réseau. Un glissement g négatif de quelques % suffit à l’alternateur pour atteindre sa puissance nominale. La survitesse est générée en « appuyant sur la pédale de gaz » du moteur d’entrainement et, par conséquent, en augmentant la vitesse de l’alternateur. Pour rester dans l’analogie de la voiture, l’augmentation du glissement peut être matérialisée par le comportement d’un conducteur qui, à la fois, appuie sur l’accélérateur tout en débrayant légèrement : « il fait patiner l’embrayage ». Le résultat est comparable dans le sens où les roues tournent à la même vitesse, mais que le moteur « monte légèrement dans les tours ».

Allure des courbes du couple et du courant « statorique » de la machine asynchrone fonctionnant dans les deux modes (moteur/alternateur)  en fonction d’un glissement positif ou négatif (survitesse ou sous-vitesse).

Pour une tension de réseau constante, la puissance disponible aux bornes du générateur suit la courbe du courant statorique lorsque la survitesse (ou le glissement) augmente.

Le cas des alternateurs synchrones

La variation de la puissance d’un cogénérateur équipé d’un alternateur synchrone est différente de celle d’un cogénérateur avec générateur asynchrone : il n’y a pas de glissement g ou de différence de vitesse angulaire entre le rotor de l’alternateur et le champ tournant du stator généré par le réseau.

L’action sur la « pédale de gaz » du moteur à combustion engendre juste une augmentation du couple du moteur et de la puissance électrique de l’alternateur. L’analogique de la voiture se prête bien aussi dans ce cas-ci : « pour maintenir la même vitesse d’un véhicule dans une côte, il est nécessaire  « d’appuyer sur le champignon », la vitesse des roues étant dans ce cas-ci celle du synchronisme ».

Attention, cependant, au décrochage d’un alternateur synchrone lorsque le couple résistif est trop important. Celui-ci dépend du décalage, c’est-à-dire du retard qui existe entre la force électromotrice (fem) générée par le rotor et la tension au stator. On appelle ce décalage, l’angle électrique. Si l’angle correspondant à ce déphasage dépasse 90°, on a phénomène dit de décrochage où le rotor s’emballe et la génératrice ne parvient plus à le freiner.

Courbe caractéristique du couple électrique en fonction de l’angle électrique pour une machine synchrone.

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Author Image Posted By : Sylvie 6 Avr, 2016

Turbine

Turbine

Définition et principe

Une turbine est une machine tournante qui récupère l’énergie cinétique d’un fluide pour mettre en mouvement l’arbre de transmission.

Schéma définition et principe de la turbine.

La turbine est constituée :

  • D’une partie mobile comprenant un arbre sur lequel sont fixées les roues à aubes du compresseur et de la turbine.
  • D’une partie fixe couramment appelée « carter de la turbine » et dans lequel on retrouve les chambres de combustion, les déflecteurs pour correctement diriger le fluide sur les aubes de la turbine.

La turbine montée sur l’arbre de transmission est mise en rotation par la force exercée sur le fluide (liquide, gaz) sur les aubes. Cette action engendre une diminution de la pression du fluide ou détente. Dans le cas de la cogénération, l’arbre est couplé à un alternateur pour la production d’électricité.
La turbine est une machine qui nécessite un fonctionnement idéalement en continu. Ce type d’équipement présente, entre autres comme avantage, de demander moins d’entretien que les moteurs.

La turbine à vapeur

Une turbine à vapeur utilise, comme son nom l’indique, la vapeur comme fluide de propulsion. Elle est produite, par exemple, à partir d’une chaudière ou disponible en sortie d’un processus industriel. La vapeur produite à haute pression est injectée à l’entrée de la turbine. À ce niveau, elle subit une série de détente au travers de plusieurs étages de roue à aubes, en générant l’énergie mécanique nécessaire à mettre l’arbre en rotation.

Photo turbine à vapeur.

Turbine à Vapeur (source : General Electric).

Le schéma ci-dessous montre une turbine vapeur alimentée par une chaudière. La chaleur résiduelle comprise dans la vapeur basse pression (BP) et dans les quelques pourcents de condensats non récupérés par la chaudière vapeur,  peut servir à alimenter un système de chauffage (principe de récupération de la chaleur fatale).

Schéma principe turbine à vapeur.

La turbine vapeur conviendra particulièrement bien pour des puissances pouvant aller de 10 MWé à 50 MWé.

Elle nécessite un grand débit de vapeur d’entrée.

La turbine à gaz

Photo turbine à gaz.

Turbine à gaz (source Siemens).

La turbine à gaz fonctionne sur le principe de la détente d’un fluide gazeux dans une turbine issu de la combustion d’un mélange d’air comprimé au niveau du compresseur et de gaz dans une chambre dite « de combustion ». C’est le principe du réacteur d’avion !

La partie mobile est composée d’un arbre sur lequel sont montés le compresseur et la turbine. La partie fixe, quant à elle, accueille principalement la chambre de combustion.

Les gaz en sortie de turbine possèdent un niveau d’énergie suffisant qui peut être exploité dans une chaudière de post combustion en produisant de la vapeur.

Schéma principe turbine à gaz.

La gamme de puissances électriques des turbines à gaz est large. Le rendement électrique des turbines gaz est lié à la qualité de l’alternateur. Un ordre de grandeur courant de rendement électrique est de l’ordre de 20 à 25 %.

Le rendement thermique, lui, peut être amélioré par la qualité de l’échangeur, l’exploitation des différentes sources de chaleur, la qualité de la combustion, etc. Un ordre de grandeur de rendement thermique se situe entre 55 et 70 % (avec postcombustion).

La micro-turbine à gaz

La micro-turbine à gaz est la petite sœur de la turbine à gaz. Cependant, elle délivre de plus petites puissances (à partir de 25 kWé).

Photo micro-turbine à gaz.

Microturbine 30 kWé – Capstone.

La micro-turbine est souvent pourvue d’un échangeur complémentaire pour préchauffer l’air comprimé de la chambre de combustion. Enfin, la micro-turbine domestique existe sur certains marchés.

Schéma principe micro-turbine à gaz.

Principe de la turbine.

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Author Image Posted By : Sylvie 5 Avr, 2016

Présentation synthétique des composants

Le cogénérateur

Fonction

Transformer le combustible en énergies électrique et thermique.

Description

Parmi les moteurs de cogénérateur, les moteurs gaz ou diesel sont les plus couramment rencontrés. Par rapport au moteur à combustion interne classique (celui de votre voiture, par exemple), le moteur de cogénérateur valorise sa chaleur au travers d’une série d’échangeurs thermiques.

Le cogénérateur est principalement composé des entités suivantes :

  • le moteur;
  • l’alternateur;
  • les échangeurs;
  • une régulation.

Les moteurs des cogénérateurs étudiés dans cet outil sont principalement des moteurs à combustion classique, couplés à des alternateurs produisant l’électricité.

Comme le montre la figure suivante, la chaleur produite par le cogénérateur peut être valorisée au travers de différents échangeurs. Le refroidissement du moteur, des gaz d’échappement, de l’huile du carter et, éventuellement, du système turbo permet de récupérer de l’ordre de 55-58 % de l’énergie incidente (combustion du gaz, diesel, huile végétale, biogaz, …). 35 % servent à produire l’électricité et le solde de 7-10 % représente les pertes par radiation du bloc moteur et les pertes dans les gaz d’échappement. Les différents échangeurs à haute et basse température sont connectés au circuit  hydraulique de chauffage.

La chaleur des gaz d’échappement à 500 °C peut être récupérée à plus de 70 % par refroidissement à 150 °C. La chaleur de l’eau de refroidissement et de l’huile du moteur à +/- 100 °C peut être entièrement récupérée, alors que la chaleur de refroidissement du turbo à 45 °C peut plus difficilement être utilisée. Ce niveau de température est en effet trop bas pour être valorisé.

Les moteurs diesel et gaz sont utilisés dans une gamme de puissance de 5 kW à plusieurs MW et s’appliquent donc particulièrement aux secteurs tertiaires, industriel et PME, ainsi qu’au logement.

La récupération de chaleur sur ce type de moteur se prête bien à des utilisations à des températures inférieures à 100 °C comme la préparation d’eau chaude sanitaire, bien qu’une petite quantité de vapeur puisse néanmoins être générée grâce à la récupération de la chaleur contenue dans les gaz d’échappement (400 .. 500 °C).

Centrale de Cogénération compacte au gaz de 400 kWé.

Principales caractéristiques d’un groupe de cogénération complet

Le moteur

  • La puissances électrique (kW), thermique (kW), et combustible (PCI).
  • Le carburant gaz ou fuel.
  • Les rendements électriques et thermiques à différentes charges.
  • Le débit d’air et le sens de circulation pour ventilation et air comburant.
  • La présence d’un pot catalytique ou non.
  • Le silencieux.
  • La modulation de puissance : plages horaires et puissances prévues.

L’alternateur

  • Synchrone ou asynchrone.
  • Le rendement électrique à différentes charges.

L’échangeur

  • La température d’entrée d’eau.
  • La température de sortie d’eau.
  • Le débit d’eau.
  • La pression d’alimentation en combustible.

Les principes de régulation

  • signaux d’enclenchement, de déclenchements, de modulation.

Packaging

Les unités de cogénération se présentent sous deux formes :

  • Un package complet standard, comprenant dans un seul caisson moteur, génératrice, récupération de chaleur, régulateur et évacuation des gaz de combustion. Les différents composants sont parfaitement dimensionnés les uns par rapport aux autres et l’ensemble présente des coûts d’investissement et de maintenance réduits.
  • Beaucoup plus rare dans la gamme de puissance visée ici, un package spécifique assemblé sur mesure, où chacun des composants est sélectionné sur le marché et dont l’ensemble est optimisé pour répondre aux spécificités d’un projet particulier. Ce type de module est étudié au cas par cas et coûte généralement plus cher.

Il est important de noter que les unités de cogénération équipées d’un moteur diesel sont directement issues de la technologie camion ou voiture. Elles bénéficient ainsi d’effets de série très importants. Leurs prix sont moins élevés que les modèles de puissance équivalente alimentés au gaz, même si cette tendance s’estompe actuellement.

Le moteur

Fonction

Transformer le combustible (gaz, biogaz, huile végétale, …) en énergies mécanique, transformée plus loin en énergie électrique par la génératrice, et thermique, récupérée dans les échangeurs de chaleur.

Description

Le moteur est le cœur du cogénérateur, la régulation agit directement sur l’injection de carburant pour atteindre le niveau de puissance attendu.

Le moteur est aussi l’élément le plus fragile et il représente de loin la plus grande partie de la maintenance du groupe de cogénération.

Techniquement, le moteur se caractérise principalement par :

  • La puissance mécanique.
  • Le combustible utilisé, gaz ou mazout.
  • Les rendements à différentes charges.
  • Les émissions de gaz de combustion et la présence d’un pot catalytique ou non.
  • Les émissions sonores et la présence d’un silencieux ou non.
  • Le débit d’air et le sens de circulation, pour assurer la ventilation et l’air comburant.
  • Le déclassement du moteur en fonction de son usage : Stand-By; Prime; Base.

La génératrice

Fonction

Transformer l’énergie mécanique du moteur en énergie électrique et l’amener sur le réseau interne du client par le raccordement électrique.

Description

Alternateur synchrone

La génératrice synchrone est constituée d’un rotor, appelé inducteur, parcouru par un courant continu. Par la rotation des pôles de l’inducteur à l’intérieur du stator (l’induit), un courant alternatif est créé aux bornes de l’induit. Le courant induit est au départ indépendant du réseau et doit absolument être synchronisé en grandeur, en fréquence et en phase à celui-ci. La génératrice synchrone nécessite donc un équipement de synchronisation (le synchroniseur). Elle est plus complexe, plus onéreuse et nécessite la mise en place de matériels coûteux. Elle permet par contre d’assurer le secours de son établissement « hôte » en cas de perte de réseau.

La machine devra, en outre, être équipée d’une série de protections électriques comme une protection de découplage, une protection de surintensité et de mise à la terre.

Génératrice asynchrone

Une génératrice asynchrone est un moteur asynchrone dont la vitesse de glissement par rapport au champ tournant (qui est constitué par le réseau électrique) a une valeur telle qu’il se produit aux bornes du stator un courant alternatif (rotor en survitesse par rapport au champ tournant du stator). La génératrice asynchrone ne nécessite pas d’équipements de synchronisation dans la mesure où elle se synchronise automatiquement au réseau. Sa constitution est plus simple, les coûts sont moins élevés. Elle ne requiert pas d’auxiliaires électriques coûteux si ce n’est une batterie de condensateurs qui devra corriger le cosinus Phi. Celui-ci sera en effet détérioré par la puissance réactive appelée par la machine asynchrone. Ceci suppose aussi que la puissance électrique du cogénérateur ne pourra pas être trop importante pour ne pas trop détériorer le cosinus Phi de l’établissement. En pratique, pour la puissance électrique du groupe de cogénération, on ne dépassera pas 25 à 30 % de la puissance appelée par l’établissement.

Ayant besoin d’une alimentation du réseau électrique pour fonctionner, cette machine ne peut donc pas assurer un secours en cas de panne du réseau.

Résumé des avantages et inconvénients

Génératrice asynchrone
[+]

  • Coût d’investissement faible.
  • Simplicité d’utilisation.

[-]

  • Pas de possibilité d’utiliser l’unité de cogénération comme groupe de secours.
  • Limitation de la puissance du groupe par rapport à la puissance de l’établissement (25 à 30 %).
  • Nécessité de placer une batterie de condensateurs.

Alternateur synchrone
[+]

  • Possibilité d’utiliser l’unité de cogénération comme groupe de secours.
  • Solution adaptée à toutes les configurations techniques.

[-]

  • Coût d’investissement élevé.
  • Obligation d’auxiliaires électriques coûteux (synchroniseur, protection).

Caractéristiques techniques

Les caractéristiques principales de la génératrice sont :

  • la puissance électrique;
  • le régime de tension;
  • la génératrice synchrone ou asynchrone;
  • son cosinus phi.

Le raccordement électrique

Fonction

Amener l’énergie électrique depuis la génératrice vers le circuit électrique, avec toutes les protections nécessaires.

Description

La cohabitation de la cogénération et du réseau électrique du distributeur sur un même circuit demande l’installation d’une série de protections.

Le raccordement électrique se compose ainsi de plusieurs éléments :

  • le câble de puissance et les protections électriques « classiques »;
  • la protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau;
  • le dispositif de synchronisation en cas de génératrice synchrone.

Câble de puissance et protections électriques « classiques »

Le câble de puissance, un câble électrique standard, amène l’électricité générée par la cogénération à l’installation électrique du client.

Plusieurs protections interviennent sur ce circuit électrique :

  • La protection des installations contre un dysfonctionnement du cogénérateur en plus des protections contre un dysfonctionnement du réseau électrique;
  • La protection du groupe de cogénération contre un dysfonctionnement interne ou contre un dysfonctionnement du réseau électrique;

  • La protection des personnes.

Les principales caractéristiques sont :

  • La tension de raccordement.
  • Le câble de puissance : type, dimensions et mode de pose du câble.
  • Les dispositifs de protection contre les surcharges et contre les courts-circuits.
  • Le régime de neutre et protection des personnes.

Protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau

La protection spécifique à la production d’énergie électrique en parallèle sur le réseau permet :

  • Au gestionnaire de réseau d’exploiter son réseau de manière sûre et de se prémunir des incidents éventuels.
  • À l’auto producteur de protéger son installation en cas d’incident sur le réseau de distribution :

Schéma électrique de découplage.

Génératrice SYNCHRONE
avec fonctionnement en secours.

Deux situations sont prévues :

  • Soit le cogénérateur ne peut jamais fournir d’énergie au réseau. On parle « d’autoproduction », c’est-à-dire qu’on ne produit de l’électricité que pour ses propres besoins.
  • Soit le cogénérateur peut débiter sur le réseau (par exemple, dans le cadre d’un contrat de rachat d’énergie). On parle alors de production décentralisée.

Protection de découplage ou production décentralisée

Pour les installations de production décentralisée, on parle d’une protection de découplage. Cette protection permet, au moyen d’une série de relais (relais obligatoirement agréés par le distributeur), la mise hors service des cogénérateurs lorsque leurs influences deviennent trop importantes en cas de régimes de réseaux perturbés. Des packages agréés complets existent dans le commerce reprenant toutes les fonctionnalités de protection.

Protection directionnelle ou autoproduction

Une protection directionnelle isole le cogénérateur du réseau dès que de la puissance électrique passe vers le réseau. Dans ce cas, les protections mentionnées ci-dessus ne sont pas nécessaires.

Synchronisation de la génératrice synchrone

Le synchronoscope, composé d’un double fréquence-mètre et d’un double voltmètre (points 1 et 2 sur le schéma), donne une image des différences entre les champs tournants des deux branches du réseau à coupler que sont le cogénérateur et le réseau basse tension du client : comparaison de la fréquence et de la tension en grandeur et en phase.

Synchronisation de la génératrice synchrone.

Pour un démarrage normal, lorsque l’installation est sous tension, le synchroniseur va ajuster la puissance du moteur, via l’injection, pour adapter sa vitesse et donc la fréquence. Il va aussi moduler le courant d’excitation pour ajuster la tension en grandeur.

Lorsque les tensions et fréquences sont égales en grandeur et en phase, le couplage est actionné.

Pour un recouplage après un découplage du réseau, le même principe peut être utilisé avec une comparaison entre les points 1 et 3 au lieu des points 1 et 2.

Lorsque l’installation est alimentée par le groupe, mais isolée du réseau, on dit qu’elle est en îlotage. La puissance du moteur et le courant d’excitation régulent respectivement la fréquence et la tension. Lorsque le groupe fonctionne en parallèle sur le réseau, la puissance du moteur et le courant d’excitation régulent respectivement la charge électrique délivrée par le groupe et le cos phi.

Théorie

Pour plus d’informations sur le synchronisme des générateurs synchrones.

Les échangeurs de chaleur

Fonction

Récupérer la chaleur du moteur et des fumées pour la raccorder au système de production de chaleur  existant.

Description

Les échangeurs de chaleur permettent à 2 fluides, liquide ou gaz, de se croiser et d’échanger leur énergie thermique sans se mélanger. Les échangeurs les plus souvent rencontrés sont les échangeurs à plaques et les échangeurs à tubes droits ou en « U ». Ils se distinguent essentiellement par le type de surface d’échange entre les deux fluides. Leurs comportements respectifs en découlent.

Le groupe de cogénération comprend généralement 3 échangeurs de chaleur : le premier récupère la chaleur du bloc moteur dans l’eau de refroidissement, le deuxième celle des de l’huile de lubrification et le troisième celle des fumées.

Un quatrième échangeur est parfois présent au niveau du bloc turbo. Il est couramment appelé « intercooler » et sert à refroidir.

Une faible part de l’énergie thermique n’est pas récupérable, il s’agit de la chaleur dégagée par rayonnement et convection du moteur, de la chaleur résiduelle dans les échappements et des pertes dues à un éventuel intercooler.

Les caractéristiques essentielles des échangeurs de chaleur sont :

  • La températures d’entrée et de sortie.
  • Les débits.
  • Les polluants potentiels et solutions préconisées.

À quelques rares unités près, dans le secteur tertiaire, la plupart des cogénérateurs sont de petite puissance (quelques dizaines de kW) voire de puissance moyenne (quelques centaines de kW). Le cogénérateur alors se présente souvent sous la forme d’un « kit », échangeurs compris. Ces échangeurs sont, en général, en série; ce qui signifie que le cogénérateur ne dispose hydrauliquement que de deux connexions (départ/retour) pour se raccorder sur le circuit de chauffage.

Pour des unités de puissance plus importante, les échangeurs peuvent ne pas faire partie intégrante du cogénérateur. Dans ce cas, un ensemblier peut prévoir des échangeurs « externes » pour fournir de la chaleur à des températures différentes. Le dimensionnement de ces échangeurs se fera en fonction des exigences des différents besoins en chaleur. Ce genre d’unités de cogénération se retrouve plutôt dans l’industrie.

Le raccordement hydraulique

Fonction

Amener l’énergie thermique depuis les échangeurs du groupe de cogénération jusqu’au circuit d’utilisation de la chaleur, le plus souvent un système de chauffage central.

Schéma simplifié d’une installation type.

Description

Le raccordement hydraulique connecte la cogénération au circuit d’utilisation de chaleur du client et permet, par l’intermédiaire des vannes placées sur les canalisations, de gérer l’utilisation des différentes parties du circuit hydraulique.

On distingue essentiellement deux types de raccordement avec les chaudières : en parallèle ou en série.

Raccordement en série

Le raccordement en série est indiqué dans les configurations de chaufferie où :

  • Le réseau est de grande capacité.
  • Les débits d’eau sont importants.
  • La puissance du cogénérateur est faible par rapport à la puissance de la ou les chaudières.
  • Les chaudières sont à haute température.

Raccordement en série.

Dans le raccordement en série, la prise d’eau pour le refroidissement du moteur et sa sortie sont toutes les deux raccordées en amont des chaudières, sur le retour d’eau froide du circuit d’utilisation de chaleur du client. La prise d’eau se trouve en amont de son retour.

Une pompe de circulation assure l’irrigation correcte du moteur et, selon les cas, un échangeur de chaleur sépare le circuit principal du circuit de refroidissement du moteur.

L’inconvénient majeur de cette technique sera la non-adéquation avec une chaudière à condensation en raison d’un retour chaud et les pertes à l’arrêt inhérent à ce retour chaud.

L’avantage majeur est la « simplicité » de mise en œuvre dans une chaufferie existante, en limitant les modifications hydrauliques de la chaufferie.

Raccordement en parallèle

Raccordement en parallèle avec des chaudières à condensation par exemple.

Le raccordement en parallèle est indiqué dans les configurations de chaufferie où :

  • Les chaudières sont des chaudières à condensation.
  • Les nouvelles chaufferies.

Dans le raccordement en parallèle, la prise d’eau pour le refroidissement du moteur est raccordée en amont des chaudières, sur le retour d’eau froide du circuit d’utilisation de chaleur du client, tandis que le retour est raccordé en aval des chaudières, sur le départ vers le circuit d’utilisation de la chaleur.

Une pompe de circulation assure l’irrigation correcte du moteur et, selon les cas, un échangeur de chaleur sépare le circuit principal du circuit de refroidissement du moteur.

Un by-pass (vanne 3 V sur le schéma) permet la charge partielle ou la mise à l’arrêt du cogénérateur.

Principales caractéristiques techniques du raccordement hydraulique

Techniquement, le raccordement hydraulique se caractérise principalement par :

  • Le type de raccordement (parallèle, série, présence ou non d’un volume de stockage de chaleur, d’un aéro-réfrigérant…).
  • Le régime de température du réseau et la compatibilité des températures.
  • Le dispositif pour empêcher le retour d’eau chaude en entrée du groupe.
  • L’isolation du groupe du reste du circuit.
  • La qualité de l’eau d’appoint, traitement.
  • La bouteille de mélange ou non.
  • Le principe de régulation des chaudières.
  • L’aéro-réfrigérant :
    • l’échangeur,
    • l’antigel,
    • l’antibruit,
    • la puissance.

Le stockage de chaleur

Fonction

Si le besoin en chaleur du bâtiment est plus petit que la puissance thermique développée par la cogénération, cette dernière est normalement à l’arrêt. On peut cependant imaginer stocker une partie de la chaleur produite dans un ballon tampon pour l’utiliser lorsque la demande de chaleur est plus importante, par exemple lors de la relance matinale.

L’intérêt du stockage est :

  • De satisfaire une demande électrique sans que la chaleur produite à ce moment soit perdue. Cet avantage peut être particulièrement intéressant pendant les heures de pointe où l’électricité est particulièrement chère.
  • L’écrêtage des fluctuations de température, ce qui limite la fréquence de cycles marche/arrêt et augmente les temps de fonctionnement et la durée de vie de la machine.
  • La fourniture d’une plus grande partie de la demande de chaleur ce qui permet d’installer une plus grosse machine.

Description

Le stockage peut être mis en œuvre de différentes façons :

  • Le stockage dans les chaudières existantes (en fonction du volume d’eau de celles-ci).
  • Le stockage dans le réseau de tuyauterie (pour les grands réseaux).
  • Le stockage dans un réservoir indépendant.

Les principales caractéristiques du ballon de stockage sont

  • Le volume de stockage.
  • La position du stockage dans le circuit hydraulique.
  • Les températures et débits d’entrée et de sortie.
  • L’isolation thermique du ballon.

La régulation

Fonction

Réguler l’ensemble des équipements du cogénérateur, par exemple démarrer et arrêter le groupe ou moduler sa puissance en fonction de la demande de chaleur.

Description

La régulation se constitue d’un ensemble d’automatismes qui permettent de piloter, souvent à distance, le groupe de cogénération. C’est généralement le prescripteur qui rédige le cahier des charges de conduite.

De façon non-exhaustive, nous citons ici les principaux signaux de régulation :

  • Le démarrage
    • Le début des heures pleines relatives au tarif de l’électricité.
    • La pointe de consommation électrique (pointe quart-horaire).
    • Le besoin en chaleur (température de l’eau de retour).
    • La disparition du réseau électrique.
    • Le démarrage forcé par l’utilisateur.
  • L’arrêt
    • La fin des heures pleines relatives au tarif de l’électricité.
    • Le problème de parallélisme avec le réseau ou protections électriques.
    • La disparition du besoin de chaleur.
    • Le mauvais refroidissement du moteur (température de l’eau de retour).
    • Autre défaut sur le retour d’eau.
    • Le problème d’approvisionnement en combustible (niveau de fuel ou position de vanne).
  • La modulation de charge
    • La fluctuation du besoin en chaleur (température de l’eau de retour).
    • La pointe de consommation électrique (pointe 1/4 horaire).

 

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Moteur à combustion interne

Moteur à combustion interne

Principe dans le cas d’un cogénérateur

Parmi les moteurs de cogénérateur, les moteurs gaz ou diesel sont les plus couramment rencontrés. Par rapport au moteur à combustion interne classique (celui de votre voiture, par exemple), le moteur de cogénérateur valorise sa chaleur au travers d’une série d’échangeurs thermiques.

Le moteur diesel

Ce type de moteur appartient à la technologie des moteurs à combustion interne classique et fonctionne suivant un cycle thermodynamique en 4 temps (cycle Diesel), à allumage spontané. Il peut utiliser du combustible comme le diesel naturellement, mais aussi de l’huile végétale ou encore des huiles végétales de recyclage comme l’huile de friture. Cette filière est actuellement en cours d’évaluation tant d’un point de vue de l’étude de potentiel, de la qualité et la stabilité du combustible, ou encore de son statut par rapport à la définition de déchet, de combustible de « seconde génération », …
La qualité du carburant, sa stabilité au cours du stockage, … doivent être prise en compte afin d’éviter des ennuis mécaniques comme le dépôt de cristaux sur les têtes des pistons en occasionnant  des mises à l’arrêt intempestives.

Illustration du principe d’injection de diesel dans un moteur diesel.

Avantages et inconvénients

(+) Le moteur diesel :

  • À un rendement légèrement supérieur à son équivalent gaz.
  • Il peut facilement être adapté pour être utilisé avec des huiles végétales (pour autant que toutes les spécifications techniques de l’huile utilisée correspondent aux exigences du fabricant du moteur, par exemple la viscosité doit être adéquatement gérée).
  • Son couple mécanique est important. Il pourrait travailler en îlotage et reprendre une charge électrique non négligeable.
  •  …

(-) Par contre le moteur diesel :

  • À injection directe demande un contrôle très précis du carburant injecté pour assurer l’autoallumage.
  • Est plus bruyant que son homologue « essence ».
  • À puissance égale, sera plus lourd.
  • Demande un entretien plus régulier que son homologue.

Le moteur au gaz

Quant à ce type de moteur, il fait partir aussi de la gamme des moteurs à combustion interne. Mais, en réalité, on parlera plutôt de moteur à explosion. De plus, il fonctionne aussi suivant un cycle thermodynamique en 4 temps (cycle Otto), à allumage commandé.

Principe d’injection du mélange air/gaz dans la chambre de combustion pour un moteur gaz.

Avantages et inconvénients

(+) Le moteur gaz :

  • Plus léger.
  • Utilise des carburants plus propres que le diesel, d’où son entretien plus aisé et moins coûteux et avantageux d’un point de vue des CV octroyés.
  • Plus silencieux.
  •  …

(-) Par contre le moteur gaz :

  • Possède un moins bon couple mécanique que le moteur diesel. Son utilisation en îlotage est assez délicat.
  • Son rendement est inférieur à celui du moteur diesel.
  • …

Les échangeurs du moteur

La récupération de chaleur s’effectue à plusieurs niveaux :

  • Basse température : au niveau de l’eau de refroidissement, au niveau des huiles de lubrifications du moteur.
  • Haute température : au niveau des gaz d’échappement.
  • Basse température : au niveau de l’intercooler du turbo lorsqu’il est présent.

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Moteur à combustion externe

Moteur à combustion externe

Principe

Photo moteur stirling.

Source : Wikipédia.

Dans le monde de la cogénération, le moteur stirling est une technologie de moteur utilisée particulièrement pour les micros cogénérations domestiques. C’est un moteur à combustion externe de petite puissance. Le gaz interne (hélium par exemple) est soumis aux quatre phases reprises ci-dessous :

Comme pour le moteur à combustion interne, le cycle du stirling s’articule sur la composition des 4 phases séquentielles suivantes :

  1. Chauffage externe du gaz à volume constant (isochore). C’est au point mort haut que le gaz s’échauffe et atteint une pression élevée. C’est l’exemple du brûleur qui assure le chauffage.

  2. Détente du gaz à température constant (isotherme). Le piston se déplace vers le bas.
  3. Refroidissement externe à volume constant (isochore) au point mort bas. En pratique, c’est à ce niveau que le circuit de chauffage récupère la chaleur du brûleur transmise au gaz tout en le refroidissant.

  4. Compression du gaz à température constant (isotherme). Le piston remonte.

On se doute bien que la mise en œuvre pratique d’un tel système poserait des problèmes de contraintes thermiques importantes, de la gestion du chauffage et du refroidissement du système et ne donnerait pas des performances intéressantes.

Pour pallier à ce problème, l’ingéniosité des inventeurs de tous bords n’a pas de frontières. La présence d’un « déplaceur » permet de chauffer et de refroidir le système de manière continue comme le montre les figures suivantes :

  1. Détente isotherme (à température constante). Le piston du moteur (en bleu) et le piston déplaceur se déplacent vers le bas en augmentant le volume du gaz dans le cylindre.
  2. Combinaison de la fin de la détente isotherme et du début du refroidissement isochore (à volume constant). Le piston moteur continue à se déplacer vers le bas jusqu’au point mort bas tandis que le piston se déplace déjà vers le haut.
  3. Compression isotherme. Le piston moteur remonte et le piston déplaceur se déplace vers le point mort haut.
  4. Combinaison de la fin de compression isotherme et du chauffage isochore. Le piston moteur arrive au point mort haut et le piston déplaceur redescend.

Type de moteur stirling

Histoire grecque

La plupart des moteurs stirling sont à mouvement rotatif; c’est-à-dire qu’ils transforment le mouvement alternatif linéaire des pistons en mouvement rotatif via l’ensemble bielle/vilebrequin.

Différents types de moteur stirling existent sur le marché. Un autre moteur stirling assez didactique est repris dans la figure suivante :

Type alpha.

Stirling Bêta pour cogénérateur

Schéma stirling Bêta pour cogénérateur.Schéma principe stirling Bêta pour cogénérateur.

Le type stirling bêta décrit ici est un moteur linéaire. Il remporte un franc succès auprès des constructeurs de micros cogénérateurs domestiques. Contrairement au stirling alpha, le bêta est composé d’un seul cylindre qui accueille les deux pistons. La chambre chaude se situe au niveau de la partie supérieure du cylindre tandis que la chambre froide, elle, à la base du cylindre. Sous le cylindre se situe le carter dans lequel se trouve l’alternateur. C’est un alternateur rectiligne ! La production électrique s’effectue par variation de flux lorsque la partie mobile de l’alternateur (on ne peut pas parler de rotor dans ce cas-ci) se déplace selon un mouvement rectiligne alternatif.

  1. Le gaz de travail est froid et occupe un volume minimum. Le déplaceur descend et chasse le gaz  de la partie basse du cylindre (froide) vers la partie haute (chaude) soumise à la chaleur du brûleur.

  2. Le gaz chauffé au niveau du brûleur tend à occuper plus de place et pousse le déplaceur et le piston moteur vers le bas en bout de course. Le piston entraine dans sa course la bobine.  Par variation de flux dans la bobine, il y a production d’électricité.

  3. Le gaz est maintenant à son volume maximum. Le déplaceur remonte mécaniquement et fait passer le gaz de la partie haut (chaude) vers la partie basse (froide) où il est refroidi.

  4. Le gaz en refroidissant dans la partie basse tend à occuper moins de place. Le piston moteur remonte et comprime le gaz. Le piston moteur entraine dans sa course la bobine vers le haut. Par variation de flux dans la bobine, il y a production d’électricité.

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Alternateur

Alternateur

Les machines tournantes

Les machines tournantes électriques se composent principalement :

  • d’un rotor, l’élément  tournant;
  • d’un stator, la partie fixe de la machine.

Aussi, elles se divisent essentiellement en deux catégories : les machines synchrone et asynchrone. La différence principale entre ces deux types de machine réside dans la conception du rotor.

En ce qui  concerne la puissance, la plupart des machines tournantes à  courant alternatif sont, au-delà de quelques kW, des machines triphasées, raison pour laquelle les bobinages au niveau du stator sont souvent au nombre de trois ou un multiple de trois.

Schéma machines tournantes.

Les machines synchrones

Pour les machines synchrones, le rotor peut être constitué :

  • d’un ou de plusieurs aimants permanents. C’est le cas pour les petites et moyennes puissances.
  • de bobinages alimentés en courant continu et d’un circuit magnétique. On parle alors d’électro-aimants. Ce type de rotor est très courant.

Alternateur synchrone

Principe de fonctionnement

Lorsque le rotor est entrainé par un moteur à combustion interne par exemple, c’est le cas d’un cogénérateur, son champ magnétique tourne à la vitesse de rotation du moteur : il est appelé « champ tournant ». Il induit dans les bobinages du stator un courant alternatif de forme sinusoïdale pour autant que les circuits du stator soient fermés sur une charge. Dans ce cas, la machine tournante est  « génératrice » ou communément appelée « alternateur ».
La vitesse du champ tournant est aussi appelée vitesse de synchronisme pour autant qu’elle soit la même que celle du champ tournant généré par le réseau sur lequel la machine synchrone sera connectée.
Les réseaux interconnectés en Europe ont une fréquence de 50 Hz. Pourquoi cette fréquence ? La fréquence est en fait liée à la vitesse du champ tournant par la relation :

ω = 2πf / p

Avec :

  • ω : vitesse angulaire du champ tournant (radian/s).
  • f : fréquence du réseau (Hz).
  • p : le nombre de paires de pôles du rotor.

Schéma alternateur synchrone.

Par exemple, une machine tournant à 3 000 tr/min avec une seule paire de pôles génère un signal sinusoïdal de fréquence de 50 Hz. Si l’on veut brancher sur le réseau un alternateur tournant à 1 500 tr/min, le rotor devra être équipé de 2 paires de pôles pour pouvoir fournir un courant alternatif de fréquence 50 Hz. C’est le cas du rotor représenté dans la figure ci-dessus.

Démarrage de l’alternateur synchrone

Dans la plupart des cas, le démarrage est assuré par le moteur d’entrainement. Le couplage de l’alternateur se réalise lorsque tous les critères de synchronisation sont respectés.

Régulation de l’alternateur

En îlotage

Lorsque la charge d’un alternateur change, les puissances actives et réactives peuvent changer. Il en est de même pour la tension et la fréquence. Comment les maintenir stables ?
Sans rentrer dans les détails :

  • Lorsque la puissance active varie, la vitesse et la fréquence de l’alternateur varient. Comme pour une voiture où la pente de la route change, il faut « jouer » avec l’accélérateur pour rétablir la bonne vitesse et, par conséquent, la bonne fréquence (accélérer pour maintenir la bonne vitesse en côte et décélérer en descente).
  • Lorsque la puissance réactive varie, la tension de l’alternateur varie. Il est nécessaire de modifier l’excitation de l’alternateur.

En réseau

Couplé sur un réseau, l’alternateur est véritablement « accroché ». Les seuls paramètres à réguler sont :

  • la puissance réactive en agissant sur le niveau d’excitation de l’induit (le rotor);
  • la puissance active en sollicitant le régulateur ou le variateur de vitesse.

Moteur synchrone

Lorsque la machine synchrone n’est pas entrainée par un moteur à combustion interne, mais connectée à un réseau électrique classique, elle se comporte en « moteur ». Attention toutefois que le moteur synchrone est particulier dans le sens où  il ne peut pas se mettre à tourner seul sans artifice de démarrage : un variateur de fréquence placé entre le réseau et le stator permet au rotor « d’accrocher » le champ tournant du stator passant progressivement d’une basse vitesse à celle de synchronisme du réseau d’alimentation.

Les machines asynchrones

Contrairement aux machines synchrones, le rotor des machines asynchrones est plus simple dans sa conception : l’aimant permanent ou d’électro-aimant est remplacé par une simple cage d’écureuil.

Schéma machines asynchrones.

Pour expliquer le fonctionnement d’une machine asynchrone, parler des moteurs permet de simplifier la démarche.

Les moteurs asynchrones

L’application reine de la machine asynchrone est le « moteur ».  En effet, ce sont des machines simples, peu couteuses et robustes.

La notion de « glissement » est très importante pour les moteurs asynchrones. En effet, le glissement étant la différence de vitesse du champ tournant du stator par rapport à la vitesse du rotor, il est nécessaire au maintien d’une variation de flux électromagnétique au niveau des conducteurs du rotor. Sans cette variation de flux ΔΦ/Δt, selon les lois de l’induction (loi de Lenz en particulier), aucun couple n’est généré au niveau du rotor.  Le glissement, en mode moteur, est de l’ordre de quelques %. Par exemple, pour un champ tournant à une vitesse de 3 000 tr/min, le rotor,  à vide, tournera à 2 995 tr/min ; ce qui engendrera un glissement de (3 000 – 2 995) / 3 000 = 1.6 %.

Auparavant, le seul inconvénient de ce type de moteur était sa pointe importante de courant au démarrage et le fait qu’il était difficile de faire varier la vitesse de rotation du moteur. À l’heure actuelle, avec l’avènement de l’électronique de puissance, les onduleurs ont permis de faire varier la vitesse de rotation dans une large plage.

Les alternateurs asynchrones

Principe de fonctionnement

Contrairement à l’alternateur synchrone, l’alternateur asynchrone ne possède pas de circuit d’excitation au niveau du rotor, raison pour laquelle il est plus simple de raisonner d’abord sur le fonctionnement du moteur asynchrone pour ensuite détailler celui de l’alternateur.

Pour faire fonctionner un moteur asynchrone en alternateur, « il suffit » qu’il tourne légèrement plus vite que le champ tournant du stator et ce au moyen d’un moteur à combustion interne comme le cogénérateur par exemple. Autrement dit, le glissement, dans ce cas, devient négatif. On parle aussi de machine « hyper-synchrone ».

Le champ tournant du rotor d’un alternateur asynchrone est produit par le … stator connecté au réseau. L’induction d’un champ tournant dans le rotor par le stator se traduit par la génération d’une composante réactive du courant dans les enroulements du stator (courant de magnétisation du rotor) et emprunté au réseau. C’est la raison pour laquelle les alternateurs asynchrones ont un mauvais cos φ qu’il faut souvent compenser par le placement de capacités.

Cependant, pour que l’alternateur débite de l’énergie sur un réseau, il est impératif que l’induction du champ tournant au stator soit synchrone avec le celui du réseau. L’électronique est donc la bienvenue !

Démarrage

Dans la plupart des cas, le démarrage est assuré par le moteur d’entrainement. Dans certains cas particuliers, l’alternateur démarre en moteur asynchrone à vide. Un artifice de démarrage (résistances électriques en série avec les enroulements inducteurs) est nécessaire.

Régulation

Lorsque l’alternateur est couplé à un réseau, le seul paramètre de régulation est la vitesse du moteur d’entrainement qui agit sur le niveau de puissance injecté sur le réseau. Pratiquement, on considère qu’une variation de 10 % du glissement de 0 à 10 % augmente la puissance électrique de 0 à 100 %.

Couplage de l’alternateur sur un réseau

Afin de pouvoir coupler un alternateur sur le réseau, il est impératif de respecter des conditions de couplage sans quoi la destruction de l’alternateur est presque inéluctable.
Les conditions sont :

  • la concordance des fréquences;
  • la concordance des tensions;
  • la concordance des phases.

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Author Image Posted By : Sylvie 5 Avr, 2016

Réglementation pour les productions décentralisées

Réglementation pour les productions décentralisées

Préalable

En mettant en œuvre une installation productrice d’électricité, l’auteur de projet devient auto-producteur ou fournisseur d’électricité. À ce titre il se doit de respecter les normes et réglementations associées à ce métier particulier.

RGIE

Conformément à l’arrêté royal du 10 mars 1981, toute installation électrique est tenue de respecter les prescriptions de sécurité reprises dans le règlement général sur les Installations électriques (RGIE).

Synergrid

Synergrid est la fédération des gestionnaires de réseaux d’électricité et de gaz en Belgique.

À ce titre, elle édite les prescriptions à respecter par les fournisseurs en vue d’assurer la sécurité du réseau. La prescription C10/11 relative aux « Prescriptions techniques pour les installations de production décentralisées fonctionnant en parallèle sur le réseau de distribution » du 04 juin 2012 s’applique donc à tous les auteurs de projet mettant en œuvre une cogénération en parallèle du réseau basse ou moyenne tension.

Les prescriptions ont pour objectif de garantir le bon fonctionnement du réseau de distribution ainsi que de promouvoir la sécurité du personnel appelé à travailler sur le réseau. Il est donc essentiel de respecter ces prescrits lors de la mise en œuvre d’une installation.

 http://www.synergrid.be/

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Author Image Posted By : Sylvie 4 Avr, 2016

Mécanisme des certificats verts

Mécanisme des certificats verts

Préalable

Le mécanisme des certificats verts est régi par l’Arrêté du Gouvernement Wallon du 3 avril 2014 relatif à la promotion de l’électricité produite au moyen de sources d’énergie renouvelable ou de cogénération.

Il convient de toujours se référer au site de la CWaPE, et/ou le Portail de l’énergie de la Région pour s’assurer de la dernière version de la procédure applicable.
Le principe du marché des certificats verts est résumé dans la figure suivante :

Présentation synthétique du mécanisme

Le mécanisme des certificats verts est un mécanisme de soutien aux énergies renouvelables développé afin d’atteindre les objectifs fixés par l’Europe et la Wallonie. Ce mécanisme se traduit par l’octroi de certificats verts au prorata de l’énergie « verte » produite, et ce selon les différentes filières.

Le mécanisme a été modifié depuis le 01/07/2014 et a mis en place trois nouvelles dispositions :

  • Le porteur de projet doit réserver ses certificats verts avant la réalisation du projet au sein d’enveloppes fermées par filière préalablement déterminée par le Gouvernement Wallon, le volume de CV restant par enveloppe par filière est mis à jour par la Région et est accessible sur le portail énergie de la Région Wallonne.
  • Le calcul du nombre de CV a été adapté. Le nombre de CV octroyé est fonction du caractère économique du projet (kéco) et des économies en CO2 générées par le projet. L’évaluation de cette estimation ainsi que les obligations du porteur de projet sont réglementées.
  • La garantie de rachat des certificats verts auprès du gestionnaire de réseau Elia est automatique.

Les infos utiles

La CWaPE : https://www.cwape.be

  • Mise en place une plateforme spécifique pour faciliter la gestion des certificats vert.
  • Édition chaque année d’un rapport sur l’évolution du marché des certificats verts.
  • Mise à disposition d’un outil Excel pour le calcul des certificats verts.

Le Portail de la RW : http://energie.wallonie.be

  • Les certificats verts.
  • La réservation.
  • Les procédure et formulaires.
  • L’état de l’enveloppe.
  • …

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Permis d’environnement (anciennement permis d’exploitation)

Permis d’environnement (anciennement permis d’exploitation)

Préalable

En Wallonie, afin d’être exploités, tous les « établissements » nécessitent au préalable l’obtention d’un permis d’environnement. La notion d' »établissement » couvre principalement les activités et les installations de production, de service, de fabrication, de recherche & développement, de transport et de divertissement.

En outre si le projet nécessite des travaux de construction, ou modification d’un bâtiment, l’exploitant devra introduire un permis unique, reprenant le permis d’urbanisme, le permis d’environnement et d’exploitation.

Remarque importante : l’obtention  d’un permis d’environnement est actuellement un préalable à la réservation des certificats verts.

Foire aux bonnes adresses :

Le permis d’environnement (PE)

Selon le niveau du caractère polluant, les activités sont réparties en trois classes :

  • classe 1 pour les activités ayant le plus d’impact sur la santé et l’environnement;
  • classe 2 pour les activités intermédiaires;
  • classe 3 pour les activités les moins polluantes.

Pour chaque classe des dispositions particulières sont applicables :

Impact environnemental

Classe de PE

 Durée de Validité MAX Type de PE

Peu d’impact

3

 10 ans Déclaration

Intermédiaire

 2 20 ans Permis d’environnement
Fort impact 1 20 ans Permis d’environnement

Les demandes de permis (PE ou PU) sont déposées auprès des autorités communales sur le territoire de la commune de l’unité d’exploitation.

Le permis est valables jusqu’à son terme, en cas de cession d’activités, le permis est cédé au repreneur.

La classe de PE, pour une activité donnée, est régie par un arrêté du gouvernement wallon :

http://environnement.wallonie.be/legis/pe/pe006bisannexe1.htm

Extrait relatif aux catégories applicables à la cogénération :

  • 40.10.01.01.01 égale ou supérieure à 100 kVA et inférieure à 1 500 kVA
  • 40.10.01.01.02 égale ou supérieure à 1 500 kVA
  • 40.40.10.01. lorsque la capacité de traitement est inférieure ou égale à 15 tonnes par jour
  • 40.40.10.03. lorsque la capacité de traitement est supérieure à 500 tonnes par jour
Numéro — Installation ou activité Classe EIE Organismes à consulter
40 PRODUCTION ET DISTRIBUTION D’ÉLECTRICITÉ, DE GAZ, DE VAPEUR ET D’EAU CHAUDE
40.10.01.01 Transformateur statique relié à une installation électrique d’une puissance nominale :
40.10.01.01.01 égale ou supérieure à 100 kVA et inférieure à 1 500 kVA 3
40.10.01.01.01 égale ou supérieure à 100 kVA et inférieure à 1 500 kVA 2

 
40.10.01.02 Batterie stationnaire dont le produit de la capacité exprimée en Ah par la tension en V est supérieure à 10 000 3
40.10.01.03 Centrale thermique et autres installations de combustion pour la production d’électricité dont la puissance installée est : DEBD*
40.10.01.03.01 égale ou supérieure à 0,1 MW thermique et inférieure à 200 MW thermiques 2
40.10.01.03.02 égale ou supérieure à 200 MW thermiques 1 X AWAC, DEBD*
40.30.02 Installation de production de froid ou de chaleur mettant en œuvre un cycle frigorifique (à compression de vapeur, à absorption ou à adsorption) ou par tout procédé résultant d’une évolution de la technique en la matière :
Puissance frigorifique nominale utile (en KW) : la puissance frigorifique maximale fixée et garantie par le constructeur comme pouvant être fournie en marche continue tout en respectant les rendements utiles annoncés par le constructeur.
40.30.02.01 dont la puissance frigorifique nominale utile est supérieure ou égale à 12 kW et inférieure à 300 kW ou contenant plus de 3 kg d’agent réfrigérant fluoré 3
40.30.02.02 dont la puissance frigorifique nominale utile est supérieure ou égale à 300 kW 2 DEBD
40.30.03 Installation de production de vapeur sous pression :
40.30.03.01 dont la puissance installée est supérieure ou égale à 100 kW et inférieure à 1 000 kW 3  

 

  

 
40.30.03.02 dont la puissance installée est supérieure ou égale à 1 000 kW 2  DEBD
40.40.10. Installation de biométhanisation visant à produire de l’électricité, du gaz, de la vapeur et de l’eau chaude à partir de biomatières ne constituant pas un déchet

Biomatière : tout objet ou substance décomposable par voie aérobie ou anaérobie.
Biométhanisation : processus de transformation biologique anaérobie de biomatières, dans des conditions contrôlées, qui conduit à la production de biogaz et de digestat.

Installation de biométhanisation : unité technique destinée au traitement de biomatières par biométhanisation pouvant comporter notamment :
a) des aires de stationnement pour les véhicules en attente d’être dépotés ou déchargés.
b) des aires de réception des biomatières entrantes.
c) des infrastructures de stockage des biomatières entrantes.
d) l’installation destinée à la préparation du mélange de biomatières avec le cas échéant des additifs qui sera injecté dans les digesteurs.
e) des systèmes d’alimentation des digesteurs en biomatières.
f) des digesteurs.
g) des post-digesteurs.
h) des infrastructures de stockage du digestat.
i) des infrastructures de post-traitement du digestat.
j) des infrastructures de stockage de biogaz.
k) des systèmes d’épuration du biogaz pour son utilisation comme combustible au sein de l’établissement.
l) des torchères ou tout autre offrant système des garanties équivalentes quant à la destruction du biogaz.
m) des infrastructures de stockage des biomatières refusées.
n) des installations de valorisation du biogaz produit au sein de l’installation de biométhanisation ayant pour objet de satisfaire aux besoins internes de l’établissement.
Capacité de traitement : la capacité, en tonnes, de traitement de biomatières dans le ou les digesteurs de l’installation de biométhanisation.
40.40.10.01. lorsque la capacité de traitement est inférieure ou égale à 15 tonnes par jour 3
40.40.10.02. lorsque la capacité de traitement est supérieure à 15 tonnes et inférieure ou égale à 500 tonnes par jour 2 DEBD, DPD, DPS, DRIGM, AWAC*
40.40.10.03. lorsque la capacité de traitement est supérieure à 500 tonnes par jour 1 X DEBD, DPD, DPS, DRIGM, AWAC¨*
DEBD : Département Énergie et Bâtiment Durable (http://dgo4.spw.wallonie.be/dgatlp/dgatlp/Pages/Energie/Pages/Accueil/Presentation.asp)
AWAC : Agence Wallonne de l’Air et du Climat (http://www.awac.be)
DPD : Direction de la Politique des Déchets
DPS : Direction de la Protection des Sols (http://dps.environnement.wallonie.be/home.html)
DRIGM : Direction des Risques Industriels, Géologiques et Miniers (https://www.wallonie.be/fr/acteurs-et-institutions/wallonie/departement-de-lenvironnement-et-de-leau/direction-des-risques-industriels-geologiques-et-miniers)

Les obligations liées au stockage de l’énergie primaire ne sont pas reprises dans la table ci-dessus.

En savoir plus

Lien vers le site de la Région mettant à disposition les formulaires de PU/PE :
http://www.wallonie.be/fr/formulaire/detail/20520

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Rentabiliser un projet de cogénération

Rentabiliser un projet de cogénération

Le client ne s’intéresse pas nécessairement aux dessous techniques de la cogénération et du pré-dimensionnement. S’il s’y intéresse, les informations sont disponibles et peuvent lui être communiquées. Dans le cas contraire et afin de ne pas le noyer dans des notions techniques qu’il maîtrise parfois mal, il peut être commercialement utile de ne lui parler que de ce qui l’intéresse et qu’il connaît : ses consommations, ses coûts et la sécurité de son approvisionnement énergétique. C’est le rôle de l’agent commercial de déterminer la meilleure approche.

La faisabilité économique d’une installation de cogénération, se détermine par :

La situation de référence

La situation de référence donne les coûts de consommation et de maintenance avant la cogénération.
Ces coûts relatifs à la situation initiale permettent de calculer une rentabilité en les comparant aux prévisions de coûts et de gains liés à la cogénération.

La situation de référence comprend :

  • une description des installations existantes de chauffage, d’approvisionnement en combustible;
  • une description des consommateurs de chaleur et d’électricité;
  • les coûts des approvisionnements en combustible et en électricité;
  • les coûts d’exploitation en ce compris la maintenance des installations.

L’investissement

Les investissements comprennent : l’étude, l’installation et la mise en service; le cogénérateur et ses équipements annexes, les aménagements, les raccordements hydraulique, électrique et gaz si nécessaire.

Même si l’investissement et la répartition des coûts varient en fonction de la puissance nominale de la cogénération, d’une façon générale, les coûts se répartissent comme représenté dans le graphique suivant :

Répartition des coûts d’investissement.

En pratique, le prescripteur se renseignera auprès des fournisseurs pour obtenir les informations budgétaires dont il a besoin pour évaluer la rentabilité du projet.

Les gains d’exploitation

Outre l’investissement et la maintenance de celui-ci, le calcul de rentabilité d’une installation doit intégrer les postes suivants :

Coûts liés à la cogénération :

  • les revente au réseau de l’électricité non consommée;
  • la vente de certificats verts;
  • le coût de la maintenance de la nouvelle installation.

Coûts liés à l’ancienne installation :

  • l’économie en combustible par le remplacement de l’ancien système;
  • l’économie en électricité (part autoconsommée de la production électrique);
  • l’économie de la maintenance (si l’ancienne installation est retirée).

Afin d’établir cette évaluation, il est donc indispensable de connaître le tarif applicable d’électricité et de combustibles de l’installation.

Sur cette base, il est alors possible d’établir une première image de rentabilité de l’installation.

Évolution de la facture combustible

Puisque le combustible sert à produire de la chaleur et de l’électricité, sa consommation sera plus importante que pour produire uniquement la même quantité de chaleur avec une chaudière classique.

Afin d’évaluer la consommation en combustible de la nouvelle installation, il est essentiel d’en référer au rendement de production de chaleur de l’installation envisagée. Ce rendement est à considérer en fonction du taux de charge attendu de l’installation. Le dimensionnement de l’installation pour un besoin de chaleur donné reste ici essentiel. On ne peut dès lors que souligner l’importance de la bonne connaissance du besoin en chaleur de l’installation.

Le coût de la surconsommation dépend également du prix du combustible.

Évolution de la facture de maintenance

La cogénération est une installation particulière mettant en œuvre des technologies plus spécifiques qui s’écartent de la chaudière traditionnelle.

Il est important d’évaluer dès le départ les coûts associés à la maintenance du matériel et le responsable de cette maintenance.

Les fournisseurs de groupe de cogénération proposent des contrats de maintenance pour leur matériel. Ces contrats peuvent comprendre non seulement la maintenance continue, mais également le dépannage dans un temps minimum.

Le coût de l’entretien du groupe dépend de son temps de fonctionnement. Les fabricants présentent d’ailleurs le coût de leur contrat en « €/h » (ou en €/kWhé). Il faut donc être attentif à définir correctement les périodes de fonctionnement de l’unité.

Pour les petits moteurs, le coût d’entretien est proportionnellement plus élevé que pour les grosses installations (les prestations sont à peu près semblables quelle que soit la puissance), ce qui les pénalise. Il est cependant possible de diminuer ces coûts en proposant de prendre en charge certaines prestations courantes en interne.

Ces prestations, réalisables en interne moyennant une formation adéquate, consistent en :

  • un contrôle, vidange de l’huile;
  • un remplacement des filtres;
  • une inspection du circuit de refroidissement;
  • une inspection des batteries;
  • un remplacement des bougies (moteurs gaz);
  • un contrôle du système d’allumage et du système de carburation;
  • une lubrification de l’alternateur;
  • un contrôle des sécurités.

Le fournisseur ne prend plus en charge que les dépannages et la révision complète du système (moteur et alternateur). Il est important de définir par contrat les modalités de prise en charge interne d’une part de la maintenance, notamment en ce qui concerne les conditions de garantie du cogénérateur.

Le temps de retour sur investissement

Les données définies jusqu’à présent permettent de calculer un temps de retour sur l’investissement, qui est un critère important dans la décision de réalisation ou non du projet.
Le temps de retour sur l’investissement se définit comme le rapport de l’investissement sur le gain d’exploitation annuel.  Pour rappel, il s’agit de la durée nécessaire pour rentabiliser l’investissement. Au-delà de cette période, tout le bénéfice généré par l’installation profite directement à l’investisseur.

La valeur actualisée nette VAN

La valeur actualisée nette des gains engendrés lors de l’exploitation de l’unité de cogénération est la différence entre les flux financiers positifs ou gains (c’est-à-dire gains sur la facture d’électricité, vente des certificats verts, …) et les flux financiers négatifs ou dépenses (c’est-à-dire investissement net, frais de combustible, entretiens, …).

Par ailleurs, ces flux financiers « futurs » sont actualisés en euros « actuel ». En effet, il est important de pouvoir comparer des gains « futurs » avec un investissement à réaliser « aujourd’hui ». Il s’agit de l’actualisation.

Par exemple, la valeur actuelle d’un gain de 10 000 € disponible dans 5 ans avec un taux d’actualisation de 4 % est de 8 219 €. Autrement dit, pour obtenir 10 000 € dans 5 ans, il suffit de placer 8 219 € en banque avec un taux d’intérêt de 4 %.

En outre, la valeur actualisée nette tient compte de l’évolution des prix des composants intervenant dans les flux financiers, c’est-à-dire l’inflation sur le prix des entretiens ou l’augmentation du prix des énergies.

La formule donnant la valeur actualisée nette est la suivante :

VAN = – INV + ∑ VA (gains) – ∑ VA (dépenses)

avec VA (gain) = ∑t = 1 à n (gain x (1 + j)t / (1  + i)t

Où :

  • VAN = Valeur Actualisée Nette
  • INV = Investissement initial net
  • VA = Valeur Actuelle d’une variable (gain ou dépense)
  • t = année
  • n = durée de vie économique de l’investissement
  • i = taux d’actualisation
  • j = taux d’évolution du prix d’une variable (gain ou dépense)
  • ∑ = sigle de sommation

Le taux de rentabilité interne

Le taux de rentabilité interne (TRI) est le taux d’intérêt fictif pour lequel la valeur actuelle nette serait nulle sur la durée de vie économique (souvent 10-15 ans dans le cas d’une cogénération). Plus le TRI est élevé (par rapport au taux d’intérêt d’un placement bancaire par exemple), plus le projet est rentable.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 1 Avr, 2016

Optimaliser l’étude de faisabilité [cogen]

Lors du dimensionnement final, le bureau d’étude va évaluer les puissances thermique et électrique les mieux adaptées à chaque projet.

C’est ce dimensionnement des puissances thermique et électrique, qui permettra d’échafauder un plan financier et d’évaluer la rentabilité financière du projet.

Voici décrit une méthodologie de dimensionnement qui se base sur les besoins en chaleur et en électricité et sur leur simultanéité pour définir la cogénération adaptée à chaque cas spécifique. Elle décrit pas à pas les étapes que le prescripteur peut suivre pour le dimensionnement complet de la puissance de la cogénération.

L’importance du dimensionnement

Soulignons d’emblée l’importance du dimensionnement. Une mauvaise évaluation à ce stade aura des répercussions économiques d’autant plus grandes que les investissements et les durées de vie des équipements sont relativement importantes et que chaleur et électricité sont simultanément concernées.

Si un sous-dimensionnement n’est préjudiciable « que » dans la mesure où le client ne bénéficiera pas de toutes les économies potentiellement réalisables, un sur-dimensionnement peut s’avérer beaucoup plus pénalisant sur le plan économique : le fonctionnement en charge réduite est un fonctionnement proportionnellement plus coûteux qu’à pleine charge. Par ailleurs, cela augmente le nombre de démarrages-arrêts, préjudiciable pour la durée de vie du moteur.

Notons encore qu’avant d’entamer le calcul de dimensionnement, il importe de rationaliser toute consommation de chaleur et d’électricité par des mesures adéquates : isolation, période d’utilisation… Si cette rationalisation devait intervenir après le projet de cogénération, les consommations de chaleur et d’électricité s’en trouveraient modifiées et par là le dimensionnement de l’installation deviendrait inadéquat.

Dans le même ordre d’idée, les besoins énergétiques évoluent et il s’agit pour le prescripteur d’anticiper ces modifications et d’en tenir compte lors de son évaluation.

Dimensionner revient à calculer la puissance du cogénérateur et ses heures de fonctionnement, pour coller au mieux aux deux contraintes essentielles :

  • La production de chaleur doit égaler le besoin de chaleur (sauf si l’excédent peut être stocké dans un ballon de chaleur) ;
  • La production d’électricité doit être valorisable au maximum par le site.

Le dimensionnement optimum cherche à définir les puissances thermique et électrique les mieux adaptées aux caractéristiques du projet. L’optimisation consiste à simuler le fonctionnement « en temps réel » de plusieurs tailles d’unités de cogénération et d’en évaluer la rentabilité. Ensuite, sur base d’une série de critères définis par le décideur, l’expert propose la solution la plus intéressante au cas étudié. En cas de résultats similaires, mieux vaut opter pour la cogénération la plus petite.

Optimisation de la rentabilité de plusieurs unités de cogénération.

Dans le cas de cette maison de repos, la puissance optimale de 150 kW est celle qui maximalise la Valeur Actualisée Nette des gains et qui minimise le temps de retour simple de l’investissement.

Une rapide analyse de la sensibilité de cette rentabilité peut être utile. Les paramètres sont généralement les prix des énergies, le montant d’investissement, les performances de l’équipement et ses rendements.

Un impact important sur la manière de dimensionner une unité de cogénération est la mise sur place du mécanisme de certificats verts. Les modifications de la méthodologie de dimensionnement se situent à trois niveaux :

  • Valoriser toute la chaleur produite, afin de prétendre au titre de cogénération de qualité. Il est donc indispensable de piloter la cogénération sur base des besoins en chaleur et non plus pour faire de l’effacement de la pointe électrique. L’octroi des certificats verts est en effet proportionnel à la quantité de chaleur effectivement valorisée.
  • Fonctionner le plus longtemps possible. Alors qu’auparavant les unités de cogénération ne fonctionnaient principalement que durant les heures pleines, période où l’électricité est la plus chère, l’apport financier des certificats verts permet de fonctionner également durant les heures creuses voire de revendre le surplus sur le réseau.
  • Installer un ballon de stockage permet bien souvent d’accroître la rentabilité suite à la souplesse de fonctionnement qu’il apporte. La cogénération peut fonctionner à pleine puissance (rendements maximums) durant une plus grande partie de l’année. Ce qui permet de recevoir davantage de certificats verts.

Vous l’avez compris, le dimensionnement est le travail de spécialistes. Si l’étude de pertinence s’avère positive, vous pouvez donc faire appel à un bureau d’étude compétent pour cette étude de faisabilité. Pour vous aider à bien formuler votre demande, vous pouvez vous inspirer du document suivant :

Évaluer

 Réaliser une étude de faisabilité d’une cogénération dans les règles de l’art (PDF)

L’étude des besoins énergétiques

Pour effectuer une simulation « en temps réel », et donc avec précisions, il est indispensable de connaître les besoins électriques, mais aussi thermiques durant une année entière (base de calcul pour le dimensionnement de la cogénération). Cependant, ce type d’information est rarement disponible. L’idéal serait donc de mesurer ces besoins sur une année entière, à la précision du quart d’heure (base de la facturation électrique). Une telle campagne de mesures aurait un coût prohibitif. Et allongerait considérablement le temps pour effectuer une telle étude de faisabilité.

C’est pourquoi une méthodologie simple a été mise gracieusement à disposition des bureaux d’études, experts et consultants en matière de cogénération. Il s’agit, à partir d’une courte période de mesures (typiquement deux semaines), d’obtenir un profil thermique et électrique extrapolée sur une année entière. Cette méthodologie est rassemblée dans l’outil de calcul : COGENextrapolation.xls

Les paramètres qui permettent cette extrapolation sont les données de factures mensuelles ainsi que, pour la partie thermique, les degrés-jour de la station météo la plus proche du site.

Étape 1 : les besoins en électricité

Le besoin en électricité, où la consommation électrique est relativement simple à étudier.

Un enregistrement des impulsions provenant du compteur électrique sur une période de deux semaines permet de définir précisément le profil de consommation électrique, quart d’heure par quart d’heure (précision de la facturation électrique). Choisir une période de deux semaines est un bon compromis entre la connaissance de la variation d’une semaine à l’autre des besoins électriques et la durée (et donc le coût) de la campagne de mesure.

Néanmoins, si lors de discussions avec les utilisateurs il s’avère que les consommations varient très fortement d’une semaine ou d’une saison à l’autre, les profils devront alors être mesurés pour les différents cas de figure.

Profil de consommation électrique mesuré sur une journée.

Note : la fréquence de prise de mesure pour définir le profil de consommation est le quart d’heure. Cette fréquence correspond à la fréquence utilisée actuellement par les fournisseurs d’électricité pour établir les factures.

Une autre possibilité est de demander au gestionnaire du réseau si ces données sont disponibles. C’est souvent le cas si les consommations électriques sont télé-relevées. Dans ce cas, vous pouvez obtenir les puissances quart d’heure par quart d’heure sur toute une année, ce qui est naturellement idéal.

Le profil de consommation électrique est étroitement lié à la facture électrique. Celle-ci découle effectivement directement du profil de consommation électrique. La facture étant directement accessible, sa lecture donne plusieurs paramètres clés particulièrement utiles du profil de consommation électrique pour générer l’extrapolation : la puissance maximum appelée, et surtout les consommations en heures pleines et en heures creuses. Les aspects économiques de la facture interviendront quant à eux lors du calcul de rentabilité de l’installation.

Une extrapolation sur toute une année devra être effectuée, par exemple, à l’aide de l’outil COGENextrapolation.xls

Étape 2 : les besoins en chaleur

La première étape est l’identification du type de chaleur et de tous les postes concernés par cette chaleur, que ces postes fassent partie d’un processus industriel ou non. Ensuite, mesurer la consommation de chaleur sur une période de deux semaines, quart d’heure par quart d’heure, est indispensable.

Le placement d’un compteur de chaleur à ultrasons sur le collecteur principal est une possibilité (mesure du débit et du delta T°). Une autre possibilité est l’enregistrement des impulsions des brûleurs en tenant compte de leur puissance et de la consommation totale pendant la période. Ces informations permettront de définir les puissances quart d’heure par quart d’heure, et ainsi définir le profil de consommation de chaleur.

Une extrapolation sur toute une année devra être effectuée, par exemple, à l’aide de l’outil COGENextrapolation.xls

Citons de façon non exhaustive les autres méthodes les plus utilisées pour définir les profils de consommation quotidiens, hebdomadaires et annuels :

  • la consommation annuelle de combustible de la chaudière combinée aux profils types de consommation pour le consommateur concerné;
  • des discussions avec l’utilisateur sur ses consommations de chaleur sous forme d’eau chaude;
  • une mesure :
    • des impulsions sur le compteur gaz,
    • du débit de mazout,
    • des heures de fonctionnement de la chaudière,
    • du débit d’eau chaude,
  • d’expérience acquise par le bureau d’étude et de calculs de comparaison.

Exemple de profil de consommation type
Profil D : Activité continue 7 jours sur 7 (hôpitaux, horeca…)

Profil du besoin net en chaleur d’une année type,
Besoin exprimé mois par mois, en % du besoin annuel.

Dans la majorité des cas, le besoin annuel en chaleur correspond à la consommation annuelle de combustible multipliée par le rendement de production.

Profil du besoin net en chaleur d’une semaine type,
Besoin exprimé jour par jour, en % du besoin hebdomadaire.

Profil du besoin net en chaleur d’une journée type,
Besoin exprimé heure par heure, en % du besoin quotidien.

Au niveau thermique, surtout si un ballon de stockage de chaleur est envisagé, il est possible d’utiliser des profils thermiques types plutôt que de mesurer ce profil. C’est d’autant plus vrai que les besoins thermiques sont de type climatique (production d’eau chaude pour le chauffage), dans le secteur tertiaire.

À l’opposé, dans l’industrie, les consommations estivales peuvent être semblables aux consommations hivernales, selon le type de procédé. Ce point est à analyser par le bureau d’étude. D’autre part, dans l’industrie, les responsables techniques connaissent mieux leurs procédés et leurs profils de consommation, parfois des mesures existent même.

Les chiffres de consommation sont essentiels, car ils servent de base à toute l’évaluation de la rentabilité du projet. L’accord entre le concepteur et le client sur ces résultats doit être très clair !

Calculs

 Pour lancer le programme COGENextrapolation.xls

Dimensionnement optimum avec COGENsim 3.12

Les profils thermiques et électriques quart horaire sur une année entière étant déterminé, nous pouvons passer à l’étape suivante : la simulation en temps réel de l’unité de cogénération.

Cette simulation permet de connaître, à tout moment, quelle sera la production thermique et électrique de la cogénération en fonction des besoins et des règles de fonctionnement. En faisant le bilan annuel, il devient facile de calculer avec précisions le bilan énergétique et partant le bilan économique et environnemental.

La puissance de calcul des ordinateurs actuels permet même de lancer des simulations pour plusieurs tailles de cogénération. Et d’être ainsi libre de choisir celle qui convient le mieux au site étudié.

À nouveau, pour « faciliter » le travail des bureaux d’études, experts et consultants en cogénération, la Région de Bruxelles-Capitale à mis à jour le logiciel COGENsim, initialement développé par la Région wallonne. Des ajouts ont par ailleurs été faits, comme la possibilité de simuler le fonctionnement d’une cogénération avec (ou sans) ballon de stockage de chaleur.

Logiciel de simulation COGENsim 2.06.xls.

Cependant, avant d’utiliser ce puissant outil de simulation, il est conseillé de lire attentivement son mode d’emploi.

Calculs

 Utiliser le logiciel de simulation COGENsim 3.12

Calculs

 Mode d’emploi du logiciel COGENsim 3.12.

Le calcul de la rentabilité

La méthode de dimensionnement intègre déjà un calcul de rentabilité : le logiciel COGENsim 3.12.xls simule plusieurs unités de cogénération et propose celle qui est la plus rentable.

Le calcul de rentabilité implique une estimation fine du gain annuel net, du montant de l’investissement et des paramètres de rentabilité comme le Temps de Retour Simple (TRS), la Valeur Actualisée Nette (VAN) des gains engendrés sur la durée de vie de l’équipement et le Taux de Rentabilité Interne (TRI) du projet.

Calculer le gain annuel net

Le gain annuel net est la différence entre la somme des gains apportés par la cogénération (électricité, chaleur et certificats verts) et des dépenses associées (combustible et entretien).

Gain sur la facture électrique

Le gain sur la facture d’électricité sera égal à la différence entre la facture sans cogénération et la facture qui serait payée pour la consommation électrique résiduelle suite à la production locale d’électricité par cogénération. Par ailleurs, la cogénération optimale produira de temps en temps trop d’électricité par rapport aux besoins. Ce surplus d’électricité sera revendu au réseau, au fournisseur le plus offrant voire au GRD. Généralement, le prix oscille entre 20 à 50 €/MWh pour une cogénération. L’ensemble des deux vous donnera le gain sur la facture électrique.

Il est fort probable que le prix unitaire de l’électricité résiduelle qui restera à acheter à un fournisseur après installation d’une cogénération soit supérieur au prix unitaire actuel. La raison est que les termes fixes de la facturation sont répartis sur une consommation plus faible. Parfois, il sera peut-être nécessaire de renégocier votre contrat de fourniture avec votre (ou d’autres) fournisseur.

Gain sur la chaleur

Toute la chaleur produite par la cogénération, si elle est correctement valorisée, ne devra plus être fournie par la chaufferie existante (ou à construire). Ce qui constitue un gain non négligeable sur facture d’achat en combustible.

Gain sur la vente des certificats verts

Si votre cogénération est de qualité, alors vous recevrez des certificats verts.

Vu la volatilité de la valeur d’un certificat vert et de la méthode de calcul, vous comprendrez aisément qu’une visite sur le site de la CWaPE s’impose.

Le gain apporté par les certificats verts pour les technologies renouvelables, nettement plus important que pour les technologies classiques, est bien nécessaire pour compenser le surcoût à l’investissement voire à l’achat du combustible.

Précisons que ce gain en certificats verts vient s’ajouter au prix de votre électricité (auto-consommée ou revendue).

Dépense pour l’achat de combustible pour la cogénération

Il faudra bien entendu acheter du combustible pour faire tourner la cogénération. Cette dépense, non négligeable, doit intervenir dans le calcul de la rentabilité.

Comme au total vous allez consommer plus de combustible qu’avant (cogénération + complément chaudière), vous pourriez éventuellement négocier un meilleur prix unitaire.

Dépense en entretien de la cogénération

Également, les frais d’entretien doivent être considérés dans les calculs. Ces frais dépendent de la formule choisie et des garanties de performances proposées. Également de quelle est la répartition du travail entre vous et la société de maintenance.

Ces prestations réalisables en interne moyennant une formation adéquate consistent en :

  • un contrôle du niveau d’huile et la vidange de l’huile;
  • un remplacement des filtres;
  • une inspection du circuit de refroidissement;
  • une inspection des batteries;
  • un remplacement des bougies (moteurs gaz);
  • un contrôle du système d’allumage et du système de carburation;
  • une lubrification de l’alternateur;
  • un contrôle de sécurité.

Le montant d’investissement

Le montant de l’investissement est toujours déterminant dans le calcul de rentabilité. Il faudra, à ce stade de l’étude,  objectiver les coûts :

  • Du cogénérateur proprement dit;
  • De génie civil, de raccordement, …

Il sera aussi intéressant de vérifier si vous avez droit à des subsides. Pour plus d’informations sur les primes et subsides, voir le portail de la Région wallonne.

Calculer les paramètres de rentabilité (TRS, VAN et TRI)

Les indicateurs de rentabilité sont très importants pour l’étude de faisabilité. En effet, lorsque ces indicateurs  « virent au vert » selon les critères de rentabilité du porteur de projet, l’étude de faisabilité confirme l’intérêt de passer à l’étape suivante : réaliser le projet !

Évaluer

 Réaliser une étude de faisabilité d’une cogénération dans les règles de l’art ( PDF).

Le tunning de votre moteur de cogénération

Que ce soit au moment de la conception du projet, mais aussi pour une installation existante, il est possible de « tunner » le fonctionnement de l’unité de cogénération afin d’en retirer le maximum.

Un logiciel comme COGENsim 3.12.xls permet d’affiner le paramétrage de son fonctionnement :

  • le taux de la charge partielle minimale pour le fonctionnement de la cogénération;
  • les besoins thermiques en dessous desquels il ne vaut pas la peine de redémarrer la cogénération;
  • les taux de charge minimum et maximum du ballon de stockage de la chaleur;
  • la part de la consommation électrique consommée par les auxiliaires;
  • la plage de fonctionnement (heures, jours, mois);
  • la possibilité de réinjecter ou non l’électricité excédentaire sur le réseau;
  • …

D’autres actions sont possibles pour davantage affiner le projet de cogénération, mais cependant non réalisables avec COGENsim 3.12.xls.

  • le fractionnement de la puissance totale en plusieurs unités de tailles identiques, voire différentes;
  • l’adaptation de la régulation de la chaufferie (anticipation, …) pour lisser le profil thermique;
  • l’utilisation d’un groupe de secours pour écrêter le profil électrique résiduel après cogénération;
  • la gestion du stockage de chaleur pour produire le maximum d’électricité durant les heures pleines;
  • …

Précisons que ce « tunning » est parfois proposé par les fournisseurs de cogénération voire les fabricants qui connaissent bien leurs équipements et surtout comment en obtenir le meilleur.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 31 Mar, 2016

Cogénération [Calculs]

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 16 Mar, 2016

Étudier la pertinence d’un nouveau projet de cogénération

Étudier la pertinence d'un nouveau projet de cogénération

L’étude de pertinence d’une cogénération

En matière de cogénération, il n’existe pas de règle rapide, univoque et universelle pour son dimensionnement : « inconvénient ou opportunité ? »

Il faut veiller à ce que la cogénération assure la « base » des besoins thermiques d’un bâtiment ou d’une entreprise pour pouvoir la faire fonctionner suffisamment longtemps à pleine puissance. Les « pointes » seront donc assurées par la chaufferie existante (ou à installer) qui ne pourra, que très rarement, être totalement remplacée par la cogénération.

Cet inconvénient se transforme en opportunité dans la mesure où le bureau d’études ou le consultant doit rechercher le dimensionnement « optimum », c’est-à-dire qui procure le maximum de bénéfices (économique, énergétique et environnementaux).

Monotone de chaleur.

Une autre manière d’exprimer le bénéfice énergétique est, de déterminer quel est l’optimum de puissance du cogénérateur qui couvre la surface maximale sous la monotone de chaleur.

Ne soyez donc pas surpris si l’on vous propose plusieurs tailles différentes : à vous de choisir celle qui vous convient le mieux.

Cette étude d’optimisation, encore appelée « étude de faisabilité », réalisée par un expert compétent, est payante et nécessite un peu de patience pour obtenir les résultats, surtout si une campagne de mesures des besoins énergétiques (électricité et chaleur) doit être envisagée. Et il est probable qu’il n’y ait pas de solution « cogénération » suffisamment attrayante dans votre cas.

Une première étude de faisabilité d’un projet peut être directement menée par le demandeur au moyen d’un outil simplifié – l’outil de calcul COGENcalc.xls.

Ce n’est qu’au terme de cette étude de pertinence à réaliser par soi-même, avec l’éventuel concours du Facilitateur en Cogénération, que vous pouvez décider de commander une étude de faisabilité.

Les éventuelles subventions mises à disposition de la Région sont disponibles sur le site de la Région : energie.wallonie.be.

>> Installer une cogénération dans votre établissement (PDF)

Les données nécessaires à une première évaluation avec COGENcalc.xls

Les données nécessaires à une première évaluation de rentabilité d’une installation de cogénération sont essentiellement les données relatives à vos consommations d’électricité et de chaleur :

  • Pour l’électricité, il vous faudra encoder les données relatives aux factures d’une année complète, soit douze factures.
  • Pour la chaleur, vous devrez fournir des informations d’une part sur la quantité de combustible que vous consommez sur une année et d’autre part sur l’utilisation faite de cette chaleur.
    • Si vous consommez actuellement du gaz, ce sont les douze factures relatives à la même période que les factures électriques que vous aurez à encoder.
    • Si vous consommez du mazout, soit vous encodez la quantité totale de mazout consommée sur une année et le montant auquel cela correspond, soit vous introduisez les livraisons de mazout réalisées pendant la même période.

Des informations de base vous seront également demandées par choix multiples sur le type de chaudière dont vous disposez et sur votre cuisine si elle est alimentée au gaz.

Finalement, vous indiquerez par un choix multiple le type d’institution pour lequel vous envisagez une cogénération avec son horaire de fonctionnement, par exemple « établissement de soin, consommation continue de chaleur, 7 jours sur 7 » et le type de moteur choisi, gaz s’il est disponible, mazout dans le cas contraire. Chacun des choix sur le type d’institution avec son horaire de fonctionnement correspond à un profil de consommation de chaleur type.

Les certificats verts sont intégrés dans le logiciel.

Il se peut que les valeurs de référence se modifient : coefficient d’émissions en CO2 et/ou rendements de l’installation de référence. Vous devrez vérifier auprès de la CWaPE ou vous tenir informé via le site portail énergie de la Région wallonne.

Mode d’emploi de l’outil COGENcalc.xls

Calculs

 Pour lancer le programme de calcul COGENcalc.xls

Introduction

Le programme vous permet d’établir rapidement un premier dimensionnement d’une éventuelle cogénération adaptée à vos besoins électriques et thermiques. Il calcule aussi la rentabilité que vous pourrez attendre de cet investissement.

Lors de l’ouverture du fichier, Excel vous demandera si vous souhaitez activer les macros. Vous devez les activer.

De manière générale, les cellules sur fond bleu ou brun (caractères bleus) sont des valeurs à introduire, les cellules sur fond jaune (caractères rouges) sont des valeurs calculées.

Première partie : »Premier dimensionnement de l’unité de cogénération »

Étape 1.1 : Déterminer votre BNeC

Il s’agit de déterminer les besoins nets de chaleur de votre établissement.

Pour cela, il est nécessaire de compléter certaines informations relatives à votre bâtiment et son usage, dans l’ordre de la feuille :

  • Le type de bâtiment concerné (type d’établissement et taille de l’établissement).
  • Q : la consommation annuelle en combustible (gaz ou mazout) en kWh PCI.
  • Qnon cogen : la part de combustible qui ne pourrait pas être assurée par la cogénération, c’est-à-dire, la part de combustible, si elle existe, qui n’est pas utilisé pour la production d’eau chaude (chauffage et ECS). Ce sera la part qui ne pourra pas être assurée par la cogénération : Qnon cogen.
  • URE : la réduction de consommation qui pourrait être envisagée par la mise en place d’éventuelles mesures URE.  Une économie de 10 % est proposée par défaut dans le cadre de la réalisation d’un audit énergétique.
  • ΔQ : l’évolution de la consommation dans le futur, réduction ou augmentation (par exemple pour une extension) de la consommation initiale mentionnée.
  • ηchaufferie : le rendement thermique de l’installation de votre installation de chauffage actuelle, idéalement un rendement mesuré sur une assez longue période, sinon votre meilleure estimation. Attention, le rendement en question n’est pas le rendement ponctuel de la chaudière, mais le rendement global de l’installation sur une période de plusieurs mois.
  • La cellule jaune vous donne finalement le Besoin Net de Chaleur (BNeC), base du dimensionnement de l’unité de cogénération.

Étape 1.2 : Sélectionner un « profil type » de consommation de chaleur.

Vous indiquerez par un choix multiple le type d’institution pour lequel vous envisagez une cogénération avec son horaire de fonctionnement, par exemple « établissement de soin, consommation continue de chaleur, 7 jours sur 7 ». Chacun des choix sur le type d’institution avec son horaire de fonctionnement correspond à un profil de consommation de chaleur type.

À partir des profils thermiques types de besoins de chaleur, propres à votre établissement, le logiciel calcule directement 3 paramètres utiles pour le dimensionnement :

  • UQ : la durée de fonctionnement d’une chaudière bien dimensionnée pour assurer la satisfaction des BNeC.
  • Ucogen : la durée de fonctionnement de la cogénération pour assurer la satisfaction d’une partie des BNeC.
  • Partcogen : qui représente la puissance thermique de la cogénération par rapport à la puissance thermique maximale (de la chaudière bien dimensionnée).

Dans cette étape, il sera également possible de sélectionner la présence d’un ballon de stockage.

Étape 1.3 : Déterminer la puissance thermique de l’unité de cogénération

Sur base de ces 3 paramètres, on obtient directement :

  • PQcogen : la puissance thermique de l’unité de cogénération. Si la puissance thermique calculée est trop faible (< 10 kW) le logiciel mentionnera directement 0.
  • Qcogen : la production de chaleur.

Éventuellement, vous pouvez réduire cette puissance d’un certain pourcentage si vous estimez que l’unité est trop grande. Par exemple, si la production électrique est trop importante par rapport à votre consommation et que ne vous désirez ne pas vendre trop au réseau, le facteur de réduction de la puissance thermique peut s’avérer « payant ».

Étape 1.4 : Choisir une unité de cogénération

Dernière étape du dimensionnement, il s’agit de choisir la technologie. En effet, de ce choix, dépendra la puissance électrique de l’unité de cogénération, la puissance thermique étant identique. Typiquement, un moteur à l’huile végétale aura une puissance électrique supérieure à celle d’un moteur gaz. Cette différence étant due aux caractéristiques technologiques différentes entre ces moteurs.
Sur base du choix de la technique, on obtient une évaluation de :

  • PEcogen : la puissance électrique de l’unité de cogénération.
  • ηcogen : le rendement électrique de l’unité choisie.
  • Ecogen : la production électrique annuelle de l’unité choisie dans la configuration étudiée.

Remarque :
À ce stade, il faut être attentif au fait que ces caractéristiques de moteur sont extrapolées sur base de moteur existant, mais que vous ne rencontrerez sans doute pas sur le marché un moteur ayant exactement ces caractéristiques. Il se pourrait par exemple que le programme vous renseigne un moteur de 67.3 kWé alors que dans la pratique, vous aurez à choisir entre un moteur de 60 ou de 80 kWé. Cette remarque vaut aussi pour les autres paramètres (rapport entre le rendement électrique et thermique de votre moteur, frais d’entretien, valeur de l’investissement).

Deuxième partie : « Rentabilité du projet de cogénération »

Cette seconde partie consiste à calculer, à la « grosse louche » la rentabilité du projet de cogénération sur base du premier dimensionnement effectué.

Étape 2.1 : Calculer le gain sur facture électrique

Pour réaliser une première évaluation économique du projet, vous devez introduire :

  • Etotale : la consommation annuelle totale d’électricité (en reprenant la somme des consommations en heures pleines et en heures creuses),
  • Coût Etotale : le montant total de la facture annuelle électrique.

Si les données ne sont pas connues, l’outil calculera des valeurs automatiquement.
Sur base de ces premières données, l’outil évaluera :

  • Prixmoyen achat : le prix moyen de votre électricité.
  • Eauto-cons : la part de l’électricité qui sera autoconsommée dans le projet.
  • Erevente : la quantité d’électricité qui sera revendue sur le réseau.

Sur base de ces données et du prix de revente, l’outil calcule le gain sur la facture de l’électricité – Gainélec.

À ce stade vous devez estimer le pourcentage de l’électricité produite qui sera autoconsommée, ce pourcentage dépendra de votre consommation et votre profil d’utilisation. Si vous n’avez aucune idée, vous pouvez mettre une valeur entre 75 et 90 %. Le reste de l’électricité sera alors vendu par le réseau à un fournisseur d’électricité de votre choix, à un prix qui aura convenu avec le fournisseur (actuellement ce prix est d’environ 35 €/MWh).

Un calcul se fait automatiquement pour déterminer le gain sur la facture d’achat d’électricité, le gain sur la vente d’électricité et le gain total sur la facture d’électricité (Gainélec).

Étape 2.2 : Calculer le gain sur la chaleur

La consommation annuelle en combustible est automatiquement reprise (Q), il suffit d’introduire le montant total de la facture annuelle du combustible et le prix moyen du combustible se calcule en fonction de votre encodage.

Ensuite la consommation évitée de la chaufferie (Conschaufferie) et le gain sur la facture chaleur (Gainchaleur) se calculent.

Étape 2.3 : Calculer le gain par la vente des certificats verts

L’installation de cogénération vous permettra de réduire les émissions polluantes, dont le CO2, qui est gratifié par le mécanisme des certificats verts, pour autant que vous arriviez à une économie relative de CO2 supérieur ou égal à 5 %.

À ce stade vous devez sélectionner si le site est connecté au non au gaz naturel, ce qui doit être compatible avec le type de cogénération précédemment sélectionné.  Le facteur d’émission de l’installation est automatiquement repris (CCO2) et permet le calcul du gain en CO2 (GCO2) et en énergie primaire (Gain énergie primaire)  Le taux d’octroi est calculé selon la réglementation en vigueur.

Étape 2.4 : Calculer la dépense en combustible

En introduisant le prix moyen du combustible de la cogénération, vous obtenez automatiquement la dépense en combustible pour la cogénération (DépenseComb).

Étape 2.5 : Calculer la dépense en entretien

Ce calcul se fait directement en fonction de la technologie utilisée et de la puissance de l’unité de cogénération.

Étape 2.6 : Estimer le montant de l’investissement.

En ajoutant un facteur de sur-investissement d’environ 40 % [10 % pour les frais d’installation, 7 % pour les frais d’études, 10 % pour d’éventuels travaux de génie civil, 5 % pour la connexion sur le réseau électrique et 8 % d’imprévus] vous obtenez l’investissement brut de l’unité de cogénération « tout compris » (Invbrut cogen).

Si vous avez droit à des subsides, vous pouvez introduire ici le pourcentage ou le montant total. Pour plus d’informations sur les primes et subsides, voir le portail énergie de la Région wallonne : energie.wallonie.be.

L’investissement net se calcule automatiquement (Invnet cogen).

Étape 2.7 : Estimer la rentabilité du projet

Le gain annuel net du projet se détermine par la différence entre les gains et les dépenses.

Le temps de retour simple (TRS) se calcule en divisant l’investissement net par le gain annuel net.

Conclusion

Une conclusion s’affiche en fonction du temps de retour simple :

  • si le TRS est inférieur à 6 ans, la conclusion sera positive,
  • si il est supérieur à 6 ans, la conclusion sera négative.

Cette information est naturellement tout à fait libre et elle doit être interprétée cas par cas. Dans certains cas un TRS de 10 ans peut être acceptable, dans d’autres cas un TRS de maximum de 3 ans est jugé comme limite.

Remarque :
Le logiciel vous donne des résultats techniques et économiques qui vous permettront d’évaluer, en connaissance de cause, l’opportunité d’installer ou non une unité de cogénération. Cependant, les résultats obtenus ne sont qu’une première approximation. Ils ne donnent qu’une indication quant à la suite ou non du projet, à savoir la commande d’une étude de faisabilité dans les « Règles de l’art » à un bureau d’études compétent, et non la commande de l’équipement !

Limites de COGENcalc.xls

Les hypothèses suivantes s’appliquent à l’outil d’évaluation. Pour un dimensionnement précis, ces hypothèses sont limitatives et, sauf exception, le prescripteur devra affiner cette évaluation, notamment par rapport aux points suivants :

  • Le profil de consommation de chaleur est à choisir parmi des profils types.
  • La puissance de la cogénération et le nombre d’heures de fonctionnement sont prédéfinis pour chaque profil type de consommation de chaleur.
  • Le besoin en chaleur est continu et ne descend en tout cas pas sous la charge minimale du cogénérateur pendant les heures de fonctionnement.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 16 Mar, 2016

Profils types de demande de chaleur et monotone

Profils types de demande de chaleur et monotone

Les profils de prélèvement

Les profils de demande de chaleur présentés ici (Besoin net en chaleur, BNeC), montrent la répartition de la demande de chaleur d’un bâtiment type sur une année, sur une semaine et sur un jour. La répartition s’exprime en pourcents.

Profil A Profil B Profil C Profil D Profil E Profil F
Activités diurnes
5 jours sur 7		 Activités diurnes
6 jours sur 7		 Activités diurnes
7 jours sur 7		 Activités continues
7 jours sur 7		 Activités diurnes
5 jours sur 7		 Activités diurnes
7 jours sur 7
Bureaux
Écoles
Services aux personnes
…		 Commerces
Culture
…		 Centres sportifs
…		 Soins aux personnes
HORECA
…		 PME à consommation très régulière
Blanchisseries
Teintureries
…		 Logement collectif
…
BNeC d’une journée type (%) – Profil de prélèvement horaire
BNeC d’une semaine type (%) – Profil de prélèvement hebdomadaire
BNeC d’une année type (%) – Profil de prélèvement annuelle

Les monotones de demande de chaleur

Les monotones de demande de chaleur représentent l’organisation par ordre décroissant des demandes de chaleur horaires de l’utilisateur. Une courbe « monotone de chaleur » peut être déterminée pour chaque « profil type de consommation ».

Profil A Profil B Profil C
Profil D Profil E Profil F

Q = demande de chaleur horaire de l’utilisateur (100 % = PQ = puissance thermique de l’utilisateur).

Courbe supérieure = monotone de demande de chaleur de l’utilisateur (demande de chaleur mesurée heure par heure et classée par ordre décroissant). La surface comprise sous la courbe 1 correspond au besoin net de chaleur (BNeC) annuel de l’utilisateur.

Courbe inférieure = monotone de demande de chaleur de l’utilisateur, pendant les heures pleines.

*Durée d’utilisation = nombre d’heures ”équivalentes” de fonctionnement de l’installation à puissance nominale pour produire la quantité totale de chaleur.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

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Technologies alternatives

Technologies alternatives

Principe de la pirolyse.

Cogénération et biomasse

La cogénération et la biomasse, une solution éprouvée !

La biomasse, qu’elle soit d’origine ligneuse, agricole, agro-alimentaire ou résidentielle, constitue une source d’énergie renouvelable et, bien souvent aussi, un déchet difficile à gérer.

Dans ce contexte, la gazéification de produits ligneux et la biométhanisation de déchets agricoles et résidentiels alimentant une unité de cogénération peuvent apporter des réponses tant du point de vue énergétique qu’environnemental.

Les techniques de gazéification ou de biométhanisation permettent maintenant de bien maîtriser les processus de combustion et de limiter ainsi les émissions de polluants.

Ces technologies valorisent ainsi efficacement une source d’énergie renouvelable, présente abondamment en Wallonie et encore largement sous exploitée. Leur utilisation comme source d’énergie primaire permet donc d’alléger nos émissions de CO2 et de participer à l’effort de notre pays au niveau de l’accord COP 21.

À ce titre, elles sont particulièrement visées par le décret relatif à l’organisation du marché de l’électricité en Wallonie, qui incite financièrement au développement d’applications économes en énergie primaire par le principe des certificats verts. L’économie en CO2 engendrée par des cogénérations à partir de biomasse est effectivement très importante.

D’une part, s’il s’agit d’une cogénération de qualité, elle participe au même titre que toute cogénération de qualité à l’économie de CO2 et peut donc recevoir à ce titre des certificats verts en fonction de sa qualité.
Par ailleurs, les cogénérations à partir de biomasse rendent également possible la création de nouvelles filières d’activités économiques et de nouveaux pôles d’excellence technologique en Wallonie.
Enfin, elles peuvent apporter des éléments de réponse à la lancinante question du traitement des déchets. Dans certains cas et sous certaines conditions, elles présentent, en effet, une réponse intégrée à ce problème majeur de société.

Cogénération au biogaz

Une réalisation concrète : la cogénération au biogaz à la décharge d’Anton.

Installation de la décharge d’Anton – © SPAQUE.

Dans le cas de la décharge d’Anton située à proximité d’Andenne, dont la réhabilitation pour le compte de la Région wallonne est menée par la Spaque, le biogaz généré par la masse des déchets enfouis est collecté et envoyé vers un module de cogénération.

Après une première expérience dans la cogénération débutée en 1999, l’unité a été remplacée en 2013.

Une nouvelle unité de cogénération a été mise en place, adaptée au biogaz produit sur le site, à savoir un biogaz pour une richesse en méthane de 55 %.

La nouvelle installation a une Puissance électrique installée de 115 kWé pour une puissance thermique de 160 kWth. Cette installation est dimensionnée pour absorber un débit de 50 m³/h de biogaz.

La chaleur est envoyée vers les différents bâtiments de l’Institut Saint-Lambert.

En 2014, l’installation a valorisé à peu près 1 million de m³ de déchets ménagers (445 000 m³ de biogaz produit), en produisant 912 MWh d’électricité (dont 41 % auto consomme et le reste a été réinjecté sur le réseau.) et 1 054 MWh de chaleur (dont 21 % a été autoconsommé et le reste renvoyé vers l’institut St Lambert).

Les rendements d’une installation de ce type (base de comparaison : pouvoir calorifique du gaz brûlé), pour un trimestre représentatif, sont de 33,6 % comme rendement électrique et 52,6 % pour le rendement thermique; ce qui donne un rendement global de 86,2 %.

Cogénération au bois

La cogénération au bois valorise le bois en électricité et en chaleur par une technologie unique qui est la seule solution bien adaptée aux déchets de bois produits dans les scieries, menuiseries de taille moyenne ainsi que ceux qui sont mobilisables lors de la gestion des espaces verts et des forêts.

Cogénérateur à gazéification de bois (source : Coretec).

La conversion du bois en électricité et en chaleur est réalisée par la gazéification du bois dans un gazogène et par la combustion du gaz produit dans un groupe de cogénération.

Installation d’une cogénération au bois : schéma de principe (source : Coretec).

Le combustible, par exemple sous forme de plaquette de bois, alimente le gazogène dans lequel il est transformé en gaz combustible. Le gaz produit est ensuite conditionné pour être brûlé dans le moteur du groupe de cogénération. L’électricité produite peut être consommée sur place ou être envoyée sur le réseau. La chaleur peut alimenter un procédé industriel ou des installations de chauffage. L’installation est entièrement automatisée et contrôlée à distance.

Les rendements de conversions électrique et thermique sont respectivement de 23 à 25 % et 50-57 %; soit un rendement total de 75-80 %. La puissance unitaire des centrales de cogénération développées et commercialisées en Wallonie varie de l’ordre de 30-45 kWé.

Trigénération

L’ajout à l’unité de cogénération d’une unité de production de froid par absorption transforme la cogénération en tri-génération.

L’objectif est d’utiliser la chaleur du moteur en été, à l’heure où elle est généralement moins utile, pour produire du froid. Ce froid peut être utilisé pour diverses applications comme la climatisation ou la réfrigération. La cogénération peut ainsi exploiter l’énergie primaire même en été.

Une telle technologie a naturellement un coût d’investissement élevé. De plus, la rentabilité tant énergétique que financière n’est pas souvent au rendez-vous. Une étude réalisée à l’UCL montrait les limites de cette technologie (« Économie d’énergie en trigénération ; Pépin Magloire, Tchouate Heteu, Léon Bolle ; Unité de thermodynamique et turbomachines, département de mécanique, Université catholique de Louvain ; 2002 »). En voici les principales conclusions :

  • Une cogénération de froid et d’électricité ne permet pas d’économiser systématiquement de l’énergie, mais permet dans certaines conditions une économie financière.
  • Cependant, la production simultanée de froid, de chaleur et d’électricité (trigénération) permet une économie d’énergie primaire en fonction de la fraction de chaleur λ utilisée pour la production de froid :
    • Pour les cycles LiBr/H2O, si λ est de l’ordre de 0,7.
    • Pour les cycles H2O/NH3, si λ est de l’ordre de 0,5.

Sur le marché, les puissances descendent actuellement jusqu’à 80 kW pour les machines à l’ammoniac ou même 70 kW pour les machines au Lithium-Bromure.

Le dimensionnement de la machine se fait en ajoutant la consommation de chaleur relative à la production de froid à la monotone de chaleur (calcul des puissances et des plages de fonctionnement) déjà définie précédemment.

Le fonctionnement idéal des machines à absorption, qui permet des rendements très élevés, utilise un fluide chaud à une température supérieure à 100 °C. Lorsque le fluide chaud n’est « qu’à » 95 °C, la puissance frigorifique est dans un rapport 1/1,6 de la puissance en chaud.

Notons finalement qu’une telle machine nécessite une tour de refroidissement plus grande.

Techniques

 Présentation synthétique du phénomène d’absorption.

Microcogénération domestique

Source : Viessmann.

La micro-cogénération est une solution adaptée pour des plus petites installations, et en l’occurrence pour l’usage domestique. Au niveau du cogénérateur proprement dit, le moteur à combustion interne fait place à un moteur à combustion externe de type « stirling ». Dans de nombreux cas, la cogénération sera directement combinée avec une chaudière gaz à condensation. Les différents acteurs du marché ont à peu près tous développé une cogénération de type gaz.

Moteur stirling.

Cette technologie a été mise sur le marché pour répondre à des consommations électriques de l’ordre de 2 500 à 3 000 kWhé/an, ce qui correspond à la consommation annuelle moyenne d’un ménage.

Les puissances développées sont de 1 kWé et 6 kWth. Le complément thermique est donné par la chaudière à condensation qui peut moduler de 6 à 20 kW.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 16 Mar, 2016

Choisir le stockage de chaleur [cogen]

Critères de sélection

Le volume du stockage est calculé lors du dimensionnement des équipements. Si le dimensionnement s’est limité à une évaluation grossière des puissances nécessaires, des investigations supplémentaires selon la même méthodologie compléteront et valideront les résultats.

Comme dans toutes les applications de stockage, il faudra tenir compte des pertes (pertes en stand-by pour les chaudières, pertes dans les tuyauteries,…). Dès lors, le raccordement et la régulation d’un stockage de chaleur seront plus complexes que l’installation standard d’une cogénération.

D’ordinaire, le ballon de stockage est installé en parallèle avec le cogénérateur. Cela permet de fonctionner de la même façon quelle que soit la source de chaleur : la cogénération ou le ballon.

Les critères de dimensionnement relatifs à la connexion aux débits et températures mentionnés dans le chapitre sur le raccordement hydraulique sont d’applications, notamment :

  • Assurer le débit d’eau au moteur quel que soit le mode de fonctionnement ou la charge et le maintenir constant.
  • Maintenir la température d’entrée du groupe inférieure à une valeur de consigne définie par le constructeur.
  • Éviter toute fluctuation brusque de la température d’entrée.
  • Éviter le recyclage dans le circuit de retour du groupe afin de ne pas augmenter la température de l’eau à l’entrée du moteur par des mélanges.
  • Gérer la puissance de déstockage de façon à toujours garantir un débit de refroidissement du moteur suffisant.
  • Rendre possible l’isolation du circuit d’utilisation pour faire fonctionner la chaufferie sans le groupe de cogénération.
  • Prévoir un système de vidange du circuit hydraulique simple.
  • Prévenir les problèmes de corrosion et d’hydrolyse dans le circuit de refroidissement.

Raccordement d’un ballon de stockage

Stockage pour configuration en parallèle

Une des méthodes de stockage appropriées est celle décrite ci-dessous. Cependant, sur le terrain, elle reste relativement peu courante. Peut-être pour une question financière ?

Schéma stockage pour configuration en parallèle.

Dans son principe, le fonctionnement du cogénérateur est relativement indépendant de celui des chaudières. En effet, le cogénérateur peut charger le ballon à une température de consigne fixe. C’est la vanne 3 voies qui fait le gros du boulot et qui peut mitiger la température de sortie de l’ensemble cogénérateur/ballon de stockage en fonction de la température de départ primaire.

La séquence des schémas suivants donne une idée des phases de stockage/déstockage. À remarquer, qu’en termes de dimensionnement des conduites, il faut prévoir que le débit d’entrée/sortie de l’ensemble cogénérateur/stockage sera de l’ordre de 1.5 à 2 fois celui du cogénérateur s’il était prévu dans stockage.

Stockage pur

Schéma stockage pur.

  • Pas de besoin, mais le ballon n’est pas à température.
  • Le cogénérateur fonctionne à régime nominal et charge le ballon (stockage).

Déstockage et boost de la cogénération

Schéma déstockage et boost de la cogénération.

  • Besoins importants.
  • Le cogénérateur fonctionne à régime nominal.
  • Le ballon déstocke.

Déstockage pur

Schéma déstockage pur.

  • Besoins moyens.
  • Seul le ballon déstocke.

Stockage pour configuration en série

Quelques constructeurs proposent une configuration série avec ballon tampon. Le débit total de retour du collecteur traverse le ballon. On ne peut pas vraiment parler de ballon de stockage vu qu’il n’y a pas de stratification. On parlera plutôt d’augmentation de l’inertie du réseau. Pour autant que les conduits d’entrée et de sortie du ballon soient bien dimensionnés, le ballon tampon agit comme un large collecteur à faibles pertes de charge et perturbant peu les équilibres hydrauliques de la chaufferie existante. On peut comprendre que cette configuration soit intéressante, car hydrauliquement elle est simple et peut donner de bons résultats en terme de court cycle du cogénérateur.

Schéma stockage pour configuration en série.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 15 Mar, 2016

Choisir la régulation [Cogen]

Modulation de puissance

Une modulation de charge du cogénérateur entre 100 et 50 % est techniquement possible, mais le coût de l’entretien du groupe dépend principalement de son temps de fonctionnement et ce coût d’entretien entraîne une augmentation relative du prix du kWh lorsque la charge diminue. Combinée à une légère chute du rendement à charge réduite, il est généralement préconisé d’éviter de fonctionner à moins de 70 % de charge, sauf pour un nombre de cas très limités.

Il est encore très important de veiller à une parfaite coordination des régulations des différents éléments de chauffage, avec un intérêt certain pour l’exploitant de la cogénération de gérer toutes les installations thermiques et électriques, afin d’éviter des interfaces parfois délicates.

Contraintes thermiques sur la régulation

Intégration dans la cascade de chaudières

Une régulation de cascade doit être mise en place sachant qu’il faut pouvoir gérer la « libération » des différents équipements de production de chaleur en fonction des besoins, et ce au bon moment. On tiendra à l’esprit que c’est la cogénération qui doit être en tête de cascade de manière à couvrir le maximum des besoins de chaleur. La monotone de chaleur représentée ci-dessous est très didactique pour montrer l’importance de la programmation d’une cascade séquentielle pour l’ensemble des équipements de production de chaleur.

On rappelle qu’une monotone de chaleur exprime surtout une représentation des besoins de chaleur au cours de l’année. On voit tout de suite que pour rentabiliser une cogénération d’un point de vue « énergético-environnemento-financier », on a intérêt à programmer une cascade des chaudières et du cogénérateur pour que ce dernier couvre la plage 2 de la monotone de chaleur.

Monotone de chaleur.

Monotone de chaleur.

  1. Libération d’une des chaudières à faible régime. Pour les anciennes chaudières, leur fonctionnement à faible charge entraine une dégradation du rendement non négligeable. Pour les chaudières à condensation modulantes, elles travaillent dans des bonnes conditions de rendement (optimum autour des 30 % de taux de charge).
  2. Libération du cogénérateur seul avec une modulation de puissance entre 100 et 70 %.
  3. Libération simultanée du cogénérateur et d’une des chaudières.

La plupart du temps, un besoin de chaleur au niveau secondaire se traduit par une diminution de température au niveau de la sonde de départ du primaire. Tenant compte du fait que le régulateur adapte souvent la température de consigne de départ en fonction de la température externe (fonctionnement en température glissante), la comparaison entre la température du départ et sa consigne glissante doit permettre de libérer les différents équipements de production suivant une séquence dans la cascade bien définie comme le représente la figure suivante :

Séquence de cascade.

Interactions hydrauliques avec les chaudières

Compte tenu de notre climat, la régulation en mi-saison est la plus complexe. Le besoin en chaleur oscille pendant ces périodes à des valeurs qui ne sont ni hautes pour permettre un fonctionnement à 100 % de charge, ni basses et qui imposeraient un arrêt. Ces besoins imposent une modulation plus fréquente qu’en été ou en hiver. Notons que cela ne s’applique pas à des cogénérations qui produisent de la chaleur en continu pour un processus industriel.

Dans ce cas, de nombreux arrêts peuvent être dus à des arrêts de process du client. Le prescripteur doit alors aborder le process dans son ensemble pour définir le cahier des charges de la conduite.

Il existe des petites installations plus ou moins « sous-dimensionnées » par rapport à la monotone de chaleur. Ils garantissent un fonctionnement 24 h/24 et sans stockage.

Dans le cas du secteur tertiaire, la production thermique du cogénérateur sera raccordée à l’installation de chauffage (et/ou de production d’eau chaude sanitaire). Comme la demande de chaleur du bâtiment, dépendante de la température extérieure, est variable dans le temps, une régulation adaptée est alors exigée.

Le réglage de l’installation consiste à définir le point de commutation entre les chaudières et la cogénération et à régler les temporisations sur les variations de puissance en fonction de l’inertie thermique de tout le système, qui n’est pas bien connue à priori. Idéalement c’est le profil de demande de chaleur qui permet d’affiner le réglage du cogénérateur.

Le risque majeur à éviter dans la combinaison chauffage-cogénération est une température d’eau de retour trop élevée vers le moteur. Une température trop élevée peut entraîner une instabilité de l’enclenchement / déclenchement du moteur. On peut résumer le problème de la façon suivante :

Le cogénérateur fournit assez de puissance pour couvrir la demande de chaleur. Mais la température de départ primaire chute. Le régulateur de chaufferie libère la chaudière (démarrage).

La chaudière se met en fonctionnement. Elle délivre très rapidement suffisamment de chaleur pour que les vannes 3 voies des circuits secondaires se ferment. La température de retour monte et réchauffe le ballon tampon.

Le cogénérateur et la chaudière s’arrêtent.

Après refroidissement du ballon tampon, le moteur redémarre. La cogénération ne parvient pas suffisamment vite à répondre à la demande de chaleur et la chaudière redémarre.
Ainsi de suite …

En pratique, on peut travailler par essais/erreurs pour ajuster le point de commutation et les temporisations. On peut également adapter le réglage en fonction des performances mesurées du moteur par comptage de sa consommation et de sa production et essayer de maintenir un rendement optimum.

Un suivi des performances du moteur permettra de se rendre compte qu’il ne faut sûrement pas essayer de faire fonctionner le moteur le plus longtemps possible. Il est plus intéressant d’adapter son fonctionnement à la demande de chaleur plutôt que de suivre à tout prix la demande électrique.

Pratiquement la permutation entre le fonctionnement du cogénérateur et celui des chaudières peut se faire en fonction de la température extérieure.

Interaction  avec les courbes de chauffe des chaudières

Sauf si vous avez hérité d’une installation « d’un autre âge », en général, quel que soit le type de chaudière, une régulation de chaudière classique comprend au minimum un mode de régulation « en température glissante » par rapport à la température externe. Sans rentrer dans les détails, la température de l’eau chaude de chauffage est adaptée aux conditions climatiques externes. Ce mode de régulation est très intéressant surtout pour les chaudières à condensation, car il permet de valoriser la chaleur de condensation en faisant travailler les chaudières à basse température. Pour les autres types de chaudière, cette régulation permet de limiter les pertes thermiques qui sont générées lorsque les températures d’eau chaude sont élevées.

L’intégration d’une installation de cogénération dans une chaufferie constitue une modification assez importante de la régulation pour les raisons évidentes suivantes :

  • Avec une seule chaudière existante, pour pouvoir placer le cogénérateur en tête de séquence, une régulation en cascade doit être programmée. Le régulateur de la chaudière est-il suffisamment évolué pour pouvoir intégrer cette cascade ? De manière générale, pour les chaudières d’une dizaine d’années, c’est faisable. Pour les chaudières de génération précédente, c’est du cas par cas.
  • Avec plusieurs chaudières, la cascade existante doit inclure le cogénérateur au même titre qu’une chaudière supplémentaire. Les régulateurs d’un ensemble de chaudières sont généralement prévus pour ajouter un équipement supplémentaire.

Donc, le régulateur d’une chaufferie (une ou plusieurs chaudières) doit au minimum « chapeauter » le régulateur de l’installation de cogénération, ne fusse que dans la séquence de cascade de libération du cogénérateur ET des chaudières. En effet, quelle que soit la configuration hydraulique, la difficulté d’intégration du cogénérateur est de concilier la ou les chaudières régulées par des courbes de chauffe, et donc des températures de consigne variables, avec un équipement de cogénération qui travaille avec une température de consigne constante. On constate dans certaines chaufferies les phénomènes suivants :

  • En période froide, la consigne de température de départ appliquée par le régulateur aux chaudières est élevée (par exemple 80 °C par -10 °C de température externe). Les consignes de température de démarrage des chaudières sont, par exemple, respectivement de 75 et 70 °C pour les chaudières « maître » et « esclave ». Par contre, la température de consigne de démarrage du cogénérateur est de l’ordre de 60 °C en fixe. Cette valeur de 60°C pour le démarrage est conditionnée par les caractéristiques intrinsèques du cogénérateur. En effet, elle pourrait être plus élevée, mais sachant que la température de retour au cogénérateur est maximum de l’ordre de 70 – 75 °C, une valeur de consigne de démarrage du cogénérateur de 70 °C entrainerait des cycles très courts marche/arrêt du cogénérateur et ne permettrait de toute façon pas un passage en tête de séquence de cascade (la consigne de démarrage en tête de séquence dans ce cas-ci est de 75 °C).
  • En mi-saison, lorsque les courbes de chauffe de régulation des chaudières définissent une consigne de température de départ primaire sous la consigne de température fixe du cogénérateur, soit dans l’exemple de 60 °C, la cogénération va naturellement se placer en tête de cascade et démarrera avant les chaudières. C’est une bonne nouvelle, mais qui arrive un peu tard, comme les « carabiniers d’Offenbach », vu que les besoins de chaleur deviennent faibles. Il en résulte que le cogénérateur risque d’avoir des cycles marche/arrêt courts, ce qui n’est pas idéal.

Régulation des chaudières et du cogénérateur.

Régulation des chaudières et du cogénérateur.

Contraintes mécaniques sur la régulation

Des démarrages et des modulations de puissance trop fréquents et trop forts, comme c’est souvent le cas en mi-saison par exemple, entraînent une fatigue mécanique importante du moteur, ce qui augmente considérablement les risques de panne. Il est donc conseillé de réaliser des montées en puissance « douces » et des démarrages en nombre relativement réduit, typiquement limités à 2 ou 3 par jour. La priorité est à la cogénération, la modulation reste à la chaudière.

Dans le même ordre d’idée, puisqu’une cogénération ne peut pas moduler comme une chaudière (fréquence et intensité des modulations), il est essentiel de bien connaître son profil de consommation de chaleur pour ne démarrer la cogénération que pour des périodes suffisamment longues.

Le fonctionnement correct du moteur demande encore un préchauffage constant pendant les heures de démarrage potentiel, afin d’éviter un démarrage à froid et les contraintes thermiques très nocives que cela entraîne.

Comme pour tout moteur, il est également conseillé de le faire tourner fréquemment afin d’en garantir le bon fonctionnement au moment voulu.

Contraintes électriques sur la régulation

Lorsque le groupe de cogénération est prévu pour fonctionner en groupe secours (ce qui n’est pas idéal), il est nécessaire de gérer la charge électrique du client pour ne pas imposer de variation de charge trop importante au moteur qui risquerait de s’étouffer.

Par exemple, en cas de coupure du réseau, il peut être nécessaire de délester les charges électriques, connecter la cogénération comme approvisionnement en électricité puis relester progressivement les charges en commençant par les plus importantes. Le groupe ne saurait effectivement pas alimenter instantanément l’ensemble des charges.

Pour un fonctionnement en groupe de secours toujours, la législation impose dans certains cas comme les hôpitaux, des délais pour l’apport du courant par les groupes secours. Le groupe de cogénération doit être capable de répondre à ces exigences.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be
Author Image Posted By : Sylvie 14 Mar, 2016

Intégrer la cogénération à l’hydraulique et à la régulation

Les pièges d’intégration

Les principaux constats des projets « piégés » sont les suivants :

  • Le manque d’heures de production du cogénérateur par rapport aux prévisions. Les conséquences sont immédiates : un manque de rentabilité du projet aux niveaux énergétique, environnemental et financier.
  • Un nombre de cycles de démarrage et d’arrêt important qui implique une réduction de la durée de vie de l’installation de cogénération et une augmentation des frais d’entretien, car les cogénérateurs, comme tout moteur, aiment les régimes stables.

Bien souvent, on pense que l’intégration d’un cogénérateur dans un projet de rénovation de chaufferie ou dans un nouveau projet peut se réaliser de manière indépendante par rapport aux chaudières. Dans la plupart des projets réalisés qui posent problème, c’est un peu réducteur et caricaturé, mais on a simplement demandé à l’installateur de fournir « deux conduites » sur lesquelles le constructeur ou le fournisseur de cogénérateur vient connecter son installation au moyen de flexible; c’est ce que l’on appellera un « plug&play » du cogénérateur. Croire que tout va fonctionner comme prévu peut s’avérer, dans certains cas, être une erreur d’appréciation fatale.

Vision globale d’intégration

Pour éviter le piège d’intégration « sauvage » du cogénérateur en chaufferie, les acteurs du projet doivent prendre un certain recul de manière à visionner les productions de chaleur et le cogénérateur comme un tout en chaufferie.

Pour les équipements de production de chaleur, il faut arriver à trouver un compromis entre les différents impératifs des chaudières.

En effet :

  • Dans une chaufferie existante, un retour suffisamment chaud pour les chaudières classiques afin d’éviter la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les gaz de combustion (corrosion accélérée des échangeurs des conduits d’échappement, …).
  • Dans une nouvelle chaufferie, un retour suffisamment froid pour faire condenser les chaudières à condensation ou garantir de bonnes performances aux pompes à chaleur (PAC) par exemple.
  • Un débit minimum pour certains types de chaudières.

Et la cogénération dans tout cela ?

À première vue, la cogénération doit être considérée comme une chaudière supplémentaire qui vient se « greffer » sur le circuit primaire. Force est de constater que son intégration n’est pas évidente ! En effet :

  • Pour certaines configurations hydrauliques existantes, le rapport de puissance thermique entre les chaudières et le cogénérateur est déterminant pour le fonctionnement de ce dernier. Il n’est pas rare de constater qu’en hiver, lorsque les chaudières sont censées venir en appoint bivalent du cogénérateur, ce dernier se fasse « voler la vedette » par des chaudières surdimensionnées.
  • De même, la présence ou pas d’un ballon de stockage et sa position par rapport aux chaudières influencent le comportement du cogénérateur.
  • La configuration en série ou en parallèle convient à certaines installations de chaufferie et pas à d’autres. Il est important d’en tenir compte.

Impérativement, le cogénérateur doit s’intégrer de manière intelligente au niveau :

  • Hydraulique, en tenant compte de la configuration de l’installation de chaufferie, des caractéristiques des chaudières, du collecteur principal et des circuits secondaires.
  • De la régulation, en partant du principe qu’une communication minimale doit exister entre les régulateurs des chaudières et le régulateur de l’installation de cogénération.

Des solutions existent ! Elles sont simples, efficaces et ne nécessitent pas, la plupart du temps, de gros investissement.

D’un point de vue hydraulique

Intégration dans une chaufferie existante

La grande majorité des chaufferies existantes sont équipées de chaudières. Hydrauliquement parlant, l’analyse de la configuration existante des chaudières est primordiale pour intégrer un cogénérateur dans de bonnes conditions.
Quelques questions importantes à se poser. Les chaudières sont-elles :

  • À haute, basse température, très basse température ou à condensation ?
  • À faibles pertes de charge ?
  • À débit minimum ?
  • …

Dans tous les cas, si la conception a été bien réalisée, la configuration hydraulique du circuit primaire renseigne le type de chaudière. Par exemple, une ou plusieurs chaudières :

  • À haute température impliquent souvent un collecteur principal bouclé ou une bouteille casse-pression entre le collecteur principal et les chaudières ou encore un bouclage direct des chaudières.
  • À condensation sont pourvues de deux retours (un chaud un froid) ou sont connectées sur des circuits type chauffage par le sol par exemple.
  • À fortes pertes de charge sont équipées de circulateurs ou pompes de circulation.


Chaudière classique / collecteur  bouclé.


Chaudière classique / collecteur ouvert.


Chaudière classique faible volume d’eau /
bouteille casse-pression.


Chaudière à condensation deux retours.


Chaudière à condensation grand volume d’eau.

Les résultats de l’analyse doivent permettre de pouvoir répondre aux questions suivantes :

  • Où et comment placer hydrauliquement la cogénération en chaufferie pour éviter de perturber les équilibres hydrauliques initiaux ?
  • Comment modifier le circuit hydraulique existant pour permettre le fonctionnement conjoint de chaudières à haute température ou, à l’inverse, de chaudières à condensation avec un cogénérateur ayant ses propres régimes de température ?

Intégration dans un nouveau projet de chaufferie

D’emblée lors d’un nouveau projet de chaufferie intégrant un système de cogénération, les acteurs doivent considérer des systèmes de production de chaleur à basse température, voire très basse température (pompe à chaleur (PAC), chaudière à condensation, …). Hydrauliquement parlant, toute l’installation de la chaufferie, y compris le cogénérateur, doit être pensée pour ramener des retours d’eau chaude en chaufferie les plus froids possible.

D’un point de vue de la régulation

Comme pour l’hydraulique, le même exercice doit être mené au niveau de la régulation. Les acteurs du projet doivent avoir une vision globale de la régulation et non pas de l’installation de cogénération comme un « appendice » capable de travailler de manière autonome

Le régulateur de la chaufferie existante ou des chaudières d’un nouveau projet et le régulateur de l’installation de cogénération doivent communiquer entre eux de manière à inscrire au minimum la cogénération dans la séquence de cascade des chaudières.

Intégration de la cogénération dans la cascade des chaudières.

Pour en savoir plus voir le vadémécum : « Réussir l’intégration de l’hydraulique et de la régulation d’une cogénération dans une chaufferie » (PDF).

 

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 14 Mar, 2016

Choisir les éléments annexes [Cogénération]

Dispositif anti-vibrations.

Les éléments annexes sont repris avec leurs caractéristiques principales.

Localisation de l’installation

Le local de la cogénération peut être la chaufferie existante, un local dédié, ou elle peut être placée à l’extérieur des bâtiments, dans un caisson spécifique.

Les règlements habituels sur les chaufferies sont d’application.
La disposition spatiale est essentielle. La cogénération sera placée le plus près possible de l’endroit où la chaleur va être utilisée, pour réduire le coût des équipements de transport de la chaleur.

Les variables clés dans le dimensionnement du local et de ses abords sont :

  • la puissance des équipements;
  • le type et la position du local d’implantation;
  • la destination du bâtiment (public ou non);
  • les accès au local (non-accessibilité au public, accès direct extérieur, distance par rapport aux locaux occupés, nombre d’issues…);
  • la résistance au feu des parois;
  • la ventilation;
  • l’évacuation des gaz;
  • les équipements électriques…

Plan placement d'une cogénération.

Exemple d’implantation.

Sécurité de l’emplacement

La sécurité de l’emplacement doit être étudiée au minimum par rapport aux inondations et à l’incendie.

Il n’existe pas de réglementation relative à la détection gaz-incendie, mais des clauses particulières doivent être envisagées afin d’éviter d’interminables discussions le cas échéant.

La signalisation doit aussi faire l’objet d’une définition précise.

Raccordement combustible

Les principales caractéristiques d’une rampe à gaz sont :

  • sa pression d’alimentation;
  • le filtre;
  • les vannes de sécurité;
  • la détection gaz;
  • la détente.

Exemple : alimentation en gaz.

Raccordement gaz.

Génie civil

La dalle d’accueil de la cogénération s’étudie en tenant compte :

  • de la charge admissible;
  • du bac de rétention (éventuellement compris dans le châssis);
  • d’un dispositif anti-vibratoire (éventuellement compris dans le châssis).

Accessibilité

L’accessibilité doit être garantie pour :

  • l’installation;
  • la maintenance.

Ventilation

Les dispositions classiques pour les chaufferies sont d’application (ventilation permanente, air neuf par le bas, air usagé par le haut…).

Une attention particulière sera portée à l’apport en air comburant et à l’évacuation de la chaleur émise par rayonnement et des batteries.

Échappement

L’échappement se caractérise principalement par :

  • son implantation (hauteur, vitesse minimale d’éjection…);
  • la position de la cheminée;
  • les matériaux;
  • la conformité des fixations;
  • une pression d’évacuation suffisante pour le tracé de la cheminée;
  • la récupération des condensats;
  • l’isolation thermique;
  • le silencieux pour le traitement des émissions (voir le permis d’exploitation);
  • le pot catalytique intégré dans le silencieux;

Exemple : évacuation des gaz de combustion.

Évacuation gaz.

Acoustique et vibrations

Le permis d’environnement impose les limites en matière de bruit, qui viennent s’ajouter aux éventuelles contraintes imposées par le client comme dans le cas d’un hôtel par exemple.

Un capotage avec double enveloppe est généralement nécessaire pour atteindre les limites sonores.

La transmission du bruit s’effectue :

  • en direct;
  • via la cheminée;
  • via la tuyauterie;
  • via le fluide.

Le client ne connaît pas ses exigences en valeurs chiffrées, mais il veut de bons résultats. Un cahier des charges en terme de résultats est à déterminer avec lui avant.

Le niveau sonore du moteur ou de la cogénération avec son spectre est à connaître en champ libre pour ensuite calculer son spectre en conditions réelles et isoler adéquatement.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 14 Mar, 2016

Choisir les échangeurs de chaleur [cogen]

Échangeur à plaques   échangeur tubulaire

Échangeur à plaques et échangeur tubulaire.

Critères de sélection

Lorsque le projet nécessite un choix d’échangeurs séparés, il est important de les différencier :

  • La chaleur du bloc moteur est récupérée par un échange à plaque eau-eau.
  • La chaleur du circuit de lubrification est récupérée par un échange huile-eau.
  • La chaleur contenue dans les échappements est récupérée par un échange air-eau dans un échangeur à tubes droits.

Les températures et débits côtés moteur, lubrification  et échappement sont des données « constructeur » dépendantes du moteur sélectionné.

Le calcul des températures et débits côté eau doit assurer la cohérence du débit et des températures d’un échangeur à l’autre et garantir le refroidissement de chacun des postes de récupération de chaleur, avec une sécurité maximale pour le refroidissement du bloc moteur.

Échangeur sur les gaz d’échappement

La puissance de cet échangeur est fonction de sa perte de charge, mais le rendement du moteur est aussi très sensible à la pression de sortie. Un équilibre est à trouver et surtout à maintenir à ce niveau, à l’aide par exemple d’un pressostat dont le calibrage est régulièrement contrôlé. S’il y a un encrassement de l’échangeur, les pertes de charge augmentent et peuvent causer des dégâts considérables au moteur. Ce problème a causé jusqu’à l’explosion de certains moteurs.

Échangeurs sur le bloc moteur et le circuit de lubrification

Côté refroidissement du moteur, des problèmes de corrosion et d’hydrolyse dans le circuit de refroidissement peuvent engendrer des problèmes aux joints des pompes à eau par exemple. La séparation des circuits de refroidissement du moteur (water jacket) du reste de l’installation hydraulique confine le problème. La solution est alors d’analyser la qualité de l’eau et de définir les additifs qui neutralisent les polluants.

L’isolation des échangeurs de refroidissement du moteur et du circuit de lubrification permet de n’ajouter les additifs que dans un circuit local, au contraire d’un circuit unique, qui impose l’ajout des additifs en question dans tout le circuit de chaleur.

Il est encore conseillé de vérifier régulièrement la différence de température effective entre entrée et sortie des différents échangeurs, pour s’assurer du fonctionnement correct de l’installation. Rappelons qu’un mauvais refroidissement du moteur peut le détruire très rapidement.

Intercooler

Lorsque le cogénérateur est équipé d’un turbo-compresseur, l’intercooler, qui le refroidit, peut-être mis sur le même circuit que les échangeurs du bloc moteur et du circuit d’huile. Vu que son régime de température est assez bas (30 – 35 °C), l’intercooler est placé en amont des deux échangeurs précités pour bénéficier des retours froids du circuit de chauffage.

Échangeurs de secours

Un aéro-réfrigérant de secours reste souvent maintenu pour garantir le refroidissement du moteur dans des circonstances exceptionnelles. La chaleur évacuée par l’aéro-réfrigérant de secours ne peut cependant pas être comptabilisée pour l’attribution des certificats verts dans la mesure où elle ne contribue pas à la réduction de CO2.

Deux vannes 3 voies servent respectivement à by-passer l’échangeur eau-eau pour éviter un retour d’eau trop froide au moteur et à utiliser l’aéro-réfrigérant de secours (radiateur initial du moteur) pour garantir le refroidissement du moteur si le besoin en chaleur est réduit.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 10 Mar, 2016

Dimensionner l’installation de cogénération

Dimensionner l'installation de cogénération

 Principe de dimensionnement

Schéma principe de dimensionnement.

Schéma simplifié d’une installation de cogénération.

Sur le plan technique, le pré-dimensionnement a permis de déterminer les puissances thermique et électrique ainsi que les plages de fonctionnement du cogénérateur.

Lors du dimensionnement, le prescripteur va opérer une série de choix techniques, calculer les variables clés et choisir les composants du groupe de cogénération.

Le dimensionnement peut être soit un dimensionnement complet suivi d’un appel d’offre; soit, et c’est le plus souvent le cas, un dimensionnement interactif avec les fabricants pour le choix des équipements, intégrant dès la conception les caractéristiques de moteurs et de composants disponibles sur le marché. De cette façon, le cahier des charges imposé au motoriste est très simple et c’est ce dernier qui propose des solutions sur base de quelques variables clés. Dans le cas contraire, des points spécifiques risquent de nécessiter des adaptations parfois coûteuses. L’offre du motoriste peut éventuellement comprendre un chapitre avec les besoins minimums qui ne sont pas respectés et les options possibles.

Selon le cas, le bureau d’étude sous-traitera ou réalisera lui-même le calcul complet des composants, calcul qui sort du cadre de cet outil.

Techniques

Présentation synthétique des principaux composants d’une unité de cogénération.

Puissances thermiques mises en jeu et interaction avec les chaudières

Rappelons brièvement que l’objectif de l’installation d’une cogénération en chaufferie est de couvrir au mieux le besoin énergétique en chaleur tout en produisant simultanément de l’électricité. Au vu de l’allure de la monotone de chaleur représentée ci-dessous, l’optimum énergétique pour intégrer une cogénération se situe régulièrement au tiers de la puissance maximale enregistrée. Ce n’est naturellement qu’un ordre de grandeur et sûrement pas une règle générale établie; tout dépend des profils des consommations de chaleur (liées à la performance de l’enveloppe du bâtiment) et d’électricité.
Rappelons ici que la « monotone » de chaleur est un classement par ordre décroissant des besoins en puissance du bâtiment à chauffer tout au long de l’année. Par exemple, une puissance de 200 kW doit être assurée en chaufferie pendant au moins 2 300 heures pour assurer le confort des occupants.
Ce nombre d’heures peut être plus important que celui de la période de chauffe, due à un besoin de chaleur pour l’eau chaude sanitaire (ECS). L’intérêt de parler de la monotone de chaleur ici, est que l’aire sous la courbe représente l’image des besoins thermiques du bâtiment en kWhth et d’ECS.

Monotone de chaleur

La cogénération, dans certains cas, est de très petite puissance par rapport à certaines chaudières qui généralement sont dimensionnées pour délivrer minimum 3 fois plus de puissance que le malheureux cogénérateur (c’est un ordre de grandeur). En théorie cela ne devrait pas poser trop de problèmes, mais en pratique, la cohabitation entre « Gulliver et les Lilliputiens » est parfois problématique surtout lorsque, dans les chaufferies courantes, le collecteur principal est bouclé ou une bouteille casse-pression réalise le découplage des circuits primaire et secondaire.

Le cogénérateur fournit assez de puissance pour couvrir la demande de chaleur. Mais la température de départ primaire chute. Le régulateur de chaufferie libère la chaudière (démarrage).

La chaudière se met en fonctionnement. Elle délivre très rapidement suffisamment de chaleur pour que les vannes 3 voies des circuits secondaires se ferment. La température de retour monte et réchauffe le ballon tampon.

Le cogénérateur et la chaudière s’arrêtent.

Après refroidissement du ballon tampon, le moteur redémarre. La cogénération ne parvient pas suffisamment vite à répondre à la demande de chaleur et la chaudière redémarre.
Ainsi de suite …

De plus, les facteurs aggravants sont souvent :

  • Des chaudières qui ne travaillent pas à puissance modulante ou qui ne démarrent pas en « petite flamme ». La puissance délivrée par une chaudière en relance d’appoint risque de délivrer un « boost » de chaleur capable d’imposer à la cogénération de s’arrêter.
  • Des circulateurs ou des pompes de circulation d’équipements de production de chaleur fonctionnant à débit fixe. Dans ce cas, le débit du primaire n’est que trop rarement en adéquation avec les débits des circuits secondaires, ce qui favorise un retour chaud au primaire capable de réduire fortement le temps de fonctionnement de la cogénération.

Le risque majeur à éviter dans le raccordement hydraulique est donc une température de retour trop élevée. Ce phénomène est influencé par la température de départ des chaudières et apparaît surtout dans le cas de forte demande de chaleur.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 10 Mar, 2016

Visualiser les étapes d’un projet de cogénération

Visualiser les étapes d'un projet de cogénération

Vue d’ensemble

Si chaque projet présente des caractéristiques particulières, il est possible de définir les grandes étapes d’un projet de cogénération.

Le délai de réalisation d’un projet de cogénération, depuis l’étude jusqu’à la mise en service oscille autour de 8 mois ou plus, selon les spécificités qui peuvent influencer les délais.

Les démarches administratives doivent être entamées dès que la décision de réaliser le projet intervient. Ces démarches comprennent l’obtention des permis d’exploitation et d’urbanisme si nécessaire, la réservation des CV à l’administration, l’acceptation des plans des installations électriques et thermiques par les organismes de contrôle, le choix des assurances, le marquage CE, …

Une série d’acteurs vont se côtoyer au cours de ce projet, prendre dès le départ les coordonnées de toutes les personnes responsables facilite la communication et la coordination du projet.

  • le maître d’ouvrage ;
  • l’exploitant de la chaufferie actuelle ;
  • le bureau d’étude ;
  • le maître d’œuvre ;
  • le motoriste ;
  • l’installateur et les entreprises de travaux ;
  • la société de maintenance ;
  • les organismes de contrôle ;
  • les organismes délivrant les autorisations et permis ;
  • les organismes financiers ;
  • le fournisseur de combustible, …

Le planning

Voici une proposition de planning de réalisation d’une installation de cogénération comprenant étude, chantier, mise en service et essais, mais sans tenir compte de délais éventuels liés à l’obtention de permis ou d’autorisations liées à la réservation des CV, la certification, l’acceptation de primes éventuelles, …

Durée (jours) 1er mois 2ème mois 3ème mois 4ème mois 5ème mois 6ème mois 7ème mois

Études

Étude d’exécution des travaux électriques BT

 10 X X

Étude d’exécution des travaux thermiques

 10 X X

Approbations

Visa des études par les organismes de contrôle et le distributeur

 5 X

Commande de matériel

Commande du groupe et équipements

 2 X

Début du chantier

 – X

Génie Civil

Réalisation du socle

 2 X

Tranchées pour circuit de récupération

 5 X

Début chantier hors GC

 X

Groupe de cogénération

Mise en place du groupe

 5 X

Raccordement échappement (silencieux, pot catalytique, cheminée)

 5  X

Circuit de refroidissement, y compris aéro-réfrigérant

 10 X  X

Alimentation combustible, sécurité et essais

 5  X

Travaux électriques

Pose et raccordements armoires BT

 10 X  X

Circuit de puissance

 5 X

Travaux de chauffage

Raccordement de la récupération de chaleur de la cogénération

 10 X X

Travaux en chaufferie, coupure et raccordement

 5 X

Electricité et Régulation

 5 X

Mise en route et essais

 10 X X

Les intervenants et leurs responsabilités

    MO – Maître d’ouvrage    

    AUD – Auditeur    

    FAC – Facilitateur    

    BE – Bureau d’études

    INST – Installateur    

    MAIN – Maintenance    

    EXPL – Exploitation    

Un projet d’implantation d’un système de cogénération dans une chaufferie existante ou dans une nouvelle chaufferie nécessite de bien définir l’intervention des différents acteurs et leurs limites.
Les responsabilités et les limites d’entreprise doivent donc être définies de la manière la plus claire possible à chaque étape du projet, à savoir au niveau :

  • D’un audit éventuel.
  • De l’avant-projet à travers les études de pertinence et de faisabilité.
  • Du projet par la réalisation de l’engineering et la rédaction des cahiers de charge.
  • De l’exécution par la réalisation correcte et critique de l’installation en collaboration étroite avec le bureau d’études ou/et le maître d’ouvrage.
  • De l’exploitation par le suivi des performances et optimalisation de l’installation.
  • De la maintenance par la réalisation des différentes tâches définies dans les cahiers de charge de maintenance (entretien à temps et à heure).

La bonne coordination du chantier implique la désignation d’un responsable et se trouve grandement facilitée par le recensement des coordonnées des responsables de tous les intervenants, à savoir :

  • l’auditeur éventuel;
  • le maître de l’ouvrage;
  • le coordinateur de l’opération;
  • le bureau d’étude;
  • le ou les bureaux de contrôle;
  • l’administration;
  • le fournisseur du groupe;
  • le maître d’œuvre des travaux;
  • la société de maintenance;
  • l’exploitant de la chaufferie actuelle;
  • les sous-traitants éventuels;
  • le distributeur d’électricité;
  • le distributeur de gaz.

L’audit

     MO       AUD       FAC   

Le maître d’ouvrage dans sa démarche d’amélioration de son installation existante a, à sa disposition, toute une série de services lui permettant de mieux appréhender « ce qui va lui tomber sur la tête » en termes de rénovation de chaufferie.

La première étape conseillée est souvent d’effectuer un audit de son installation. L’auditeur va pointer surtout les sources d’amélioration URE possibles de manière à réduire les consommations énergétiques. C’est à ce moment-là que l’auditeur peut évaluer le potentiel de réduction de la facture énergétique thermique. Cette analyse de potentiel influence fondamentalement le pré-dimensionnement et le dimensionnement d’un cogénérateur.

L’avant-projet

Pré-dimensionnement du cogénérateur

     MO       FAC       BE  

Dans tout projet d’installation de cogénération, des études de pertinence (« à la grosse louche ») et de faisabilité  (étude fine) doivent être réalisées de manière à savoir si ce projet est viable ou pas d’un point de vue :

  • Énergétique : comparaison en énergie primaire de la production de chaleur et d’électricité de la cogénération par rapport à une centrale électrique TGV (rendement de référence de 55 %) et une chaudière gaz (rendement de référence de 90 %) pour répondre au même besoin de chaleur et d’électricité du bâtiment considéré.
  • Environnemental : la réduction des émissions de gaz à effet de serre (CO2) doit être significative. En Wallonie, le taux d’économie sur les émissions de CO2 doit être supérieur à 10 % et à Bruxelles d’au moins 5 % pour avoir droit aux primes et aux certificats verts (CV). On parle de cogénération de qualité quand le dimensionnement du cogénérateur est basé sur les besoins de chaleur, génère une économie d’énergie primaire et une réduction des émissions de gaz à effet de serre comme indiqué ci-avant en fonction de la région.
  • Économique : le projet doit être rentable économiquement. Tous les indicateurs de rentabilité devront être au vert (temps de retour simple sur investissement TRS, valeur actualisée nette VAN, taux de rentabilité interne TRI).

Remarque : Le facilitateur cogénération est naturellement disponible pour ce genre d’accompagnement. Des outils sont mis à la disposition des responsables du projet : le guide de pertinence aide les auteurs de projet dans leurs premiers pas dans la technique de cogénération. L’outil de calcul CogenCalc, lui, permet, suivant des profils types de consommation de se faire une idée de la viabilité du projet avec une précision relative (de l’ordre de 20 à 30 %).
Tous les outils sont disponibles sur le site de la Région wallonne :

Intégration hydraulique et régulation du cogénérateur  

     BE       INST   

Cas d’une nouvelle chaufferie

Ce cas de figure est plus facile à aborder sachant que, de toute façon, un nouveau régulateur doit être prévu. La seule contrainte est de s’assurer que le module de régulation de l’installation de cogénération puisse communiquer avec le régulateur de chaufferie et s’intégrer dans la cascade

Cas d’une chaufferie existante

Hydraulique
Pour que l’intégration de la cogénération dans l’installation hydraulique d’une chaufferie existante soit une réussite, l’analyse de la situation par le bureau d’études en technique spéciale (ou par l’installateur pour les petits projets) doit être fine. Les contraintes d’intégration ne manquent pas. Celles qui sont à pointer sont généralement :

  • L’espace disponible dans la chaufferie pour les différents équipements comme le cogénérateur, le ou les ballons de stockage, l’armoire de régulation.
  • L’espace sur le circuit hydraulique pour placer les points d’injection de la chaleur du cogénérateur. Il doit bien être choisi par rapport aux chaudières existantes de manière à ne pas ou peu perturber l’équilibre hydraulique existant. L’intégration hydraulique doit tenir compte aussi des caractéristiques des chaudières.Par exemple :
    • Lorsque les chaudières existantes sont des chaudières à condensation, idéalement, le cogénérateur doit être placé en parallèle, et ce afin d’éviter de réchauffer le retour des chaudières. Lorsque les équilibres hydrauliques ne sont plus assurés par l’insertion d’un cogénérateur, il y aura lieu de redimensionner complètement le circuit primaire de manière à tenir compte de la redistribution des débits et des pertes de charge en fonction des caractéristiques hydrauliques des équipements en présence sur le circuit primaire.
    • Lorsque les chaudières existantes sont des chaudières à haute température, la configuration série est envisageable.

Il est toujours intéressant d’avoir un avis sans engagement d’un installateur sachant que, in fine, c’est lui qui aura les contraintes d’une bonne intégration de l’installation de cogénération en partenariat avec le bureau d’études.

Régulation
La régulation existante de la chaufferie doit pouvoir au minimum intégrer la cogénération dans la séquence de cascade des chaudières. Si ce n’est pas le cas, cette absence de communication des régulateurs des chaudières et de la cogénération risque de compromettre le bon fonctionnement du cogénérateur. En effet, on observe en pratique que l’installation de cogénération fonctionne moins d’heures que prévu et effectue des cycles de démarrage/arrêt importants.

C’est essentiellement dû au fait que les chaudières sont régulées sur base de courbes de chauffe à températures de consigne glissantes en fonction de la température externe, donc variables. La consigne de température pour réguler le fonctionnement de la cogénération est, quant à elle, fixe. Il en résulte que lorsque les deux systèmes ne communiquent pas :

  • En période froide, les consignes de démarrage des chaudières sont élevées par rapport à celles de la cogénération. Les chaudières sont donc mises en avant par rapport à la cogénération ; ce qui n’est pas le but recherché.
  • En mi-saison, les consignes des chaudières sont basses et en dessous de celles du cogénérateur et, par conséquent, le cogénérateur démarrera avant les chaudières. C’est bien, mais trop tard dans la saison de chauffe.

Dans le cas où la régulation existante des chaudières ne peut pas intégrer cette séquence de cascade et, pour autant qu’individuellement les régulateurs des différents équipements puissent accepter de l’être, il est donc impératif de prévoir un élément de régulation qui chapeaute les deux régulateurs.

Un autre moyen d’intégration est de prévoir un nouveau régulateur qui permette d’intégrer l’ensemble des équipements.

Le projet

Les étapes essentielles de tout projet, à partir du moment où la décision d’installer une unité de cogénération est prise, sont les suivantes :

  • étude des travaux électriques et thermiques ;
  • approbation des plans par le maître d’œuvre et les organismes de contrôle ;
  • commande des matériels (attention aux délais) ;
  • chantier pour le génie civil ;
  • installation du cogénérateur et raccordement (cheminée, combustible, chaleur et électricité) ;
  • travaux d’électricité (raccordement au réseau) ;
  • travaux thermiques (intégration hydraulique du cogénérateur en chaufferie) ;
  • système de régulation (intégration de la régulation du cogénérateur au système de régulation central de la chaufferie) ;
  • mise en route et essais ;
  • réception provisoire ;
  • « commissioning » (analyse et vérification des performances énergétique, environnementale et financière de l’installation) ;
  • réception définitive.

Dimensionnement

      BE   

En appui du cahier des charges pour la cogénération, le vadémécum se doit d’insister sur le dimensionnement de la cogénération surtout en tenant compte de la composante URE :

  • Un cogénérateur surdimensionné effectuera des cycles courts marche/arrêt ; ce qui réduira sa durée de vie. Le surdimensionnement d’une cogénération vient souvent du fait que l’on n’a pas de tenu compte à moyen terme de l’amélioration énergétique de l’enveloppe du bâtiment (changement des châssis vitrés, isolation des murs et des toitures, …) et des systèmes de production de chaleur et d’ECS.
  • Un sous-dimensionnement réduit la rentabilité du projet.

L’étude de faisabilité donne la méthodologie et les bonnes hypothèses aux auteurs de projet pour dimensionner et choisir une installation de cogénération dans les règles de l’art. Les outils de calcul CogenSim et CogenExtrapolation arrivent à un degré de précision suffisant (10 %) pour déterminer des points de vue  énergétique, environnemental et économique si un projet de cogénération est viable. Attention que ces outils se basent sur une mesure des besoins thermiques et électriques.

Cahier des charges

      BE   

Un cahier des charges pour la cogénération est disponible ici.

Ici, on voudrait juste pointer les petites inclusions à réaliser dans les cahiers des charges de manière à éviter les pièges de l’intégration hydraulique et de la régulation. Attention cependant que le cahier spécial des charges est à utiliser avec précaution sachant que chaque projet est un cas particulier. Le « copier/coller » pur et dur est à proscrire.

URE

Sensibilisation à l’URE

Si on veut rester cohérent par rapport à la notion de durabilité dans le bâtiment, l’URE doit être envisagée en premier lieu de manière à réduire les besoins de chaleur ET d’électricité.
Si des actions URE sont prévues dans le cadre du projet, il est impératif de le préciser dans le cahier des charges. En général, l’entreprise en techniques spéciales effectue un redimensionnement de contrôle ; c’est souvent demandé par le bureau d’études. Régulièrement, l’action URE ne s’arrête pas à l’amélioration énergétique de l’enveloppe, mais aussi au niveau des techniques spéciales :

  • On en profite pour remplacer une, voire toutes les chaudières de la chaufferie. La chaudière à condensation, dans ce cas-là, est souvent préconisée.
  • On enlève le bouclage de collecteur.
  • On prévoit une bouteille casse-pression pour mettre en place un découplage hydraulique des circuits primaire et secondaire.
  • Pour assurer un retour froid aux chaudières à condensation et au cogénérateur, on prévoit de réguler les débits primaires par des variateurs de vitesse, et ce sur base de la différence de température de part et d’autre de la bouteille casse-pression.

Au travers de son cahier des charges, le bureau d’étude devra sensibiliser par une remarque générale l’entreprise en technique spéciale de l’intention rapide, à court ou moyen terme, du maitre d’ouvrage d’entamer une action URE. Cette précision permet d’anticiper la configuration hydraulique adéquate en fonction de cette action URE.

Par exemple, le fait d’envisager à court ou moyen terme de remplacer une chaudière classique par une chaudière à condensation conditionne le positionnement hydraulique du cogénérateur vers une configuration parallèle.

Adaptation des débits primaires aux débits secondaires

Bien souvent, et à juste titre, les bureaux d’études en techniques spéciales aiment bien le concept de bouteille casse-pression, car elle permet d’éviter pas mal de problèmes de perturbation (ou « dérangement ») hydraulique et de régulation entre les circuits primaires et secondaires. Cependant, la faiblesse de ce découplage hydraulique qu’est la bouteille casse-pression réside dans le risque de ruiner tous les efforts réalisés pour mettre en place une politique URE. Comme on l’a vu précédemment, sans régulation des débits en amont et aval de la bouteille casse-pression, le retour primaire risque d’être chaud. La plupart des installations qui ont des problèmes de chaudières à condensation ne condensant pas et/ou des cogénérateurs fonctionnant peu d’heures sont équipées de bouteilles casse-pressions non régulées. Il y a donc lieu de prévoir dans le cahier des charges une clause énergétique qui décrit la régulation autour de la bouteille casse-pression.

Hydraulique

Les clauses du cahier des charges relatives à l’hydraulique devront être écrites différemment en fonction de différents paramètres :

  • La configuration hydraulique existante et future en fonction des actions URE envisagées.
  • Le type de chaudière maintenu ou nouveau envisagé. Par exemple, on préfèrera la configuration en parallèle lorsqu’on prévoit le placement en chaufferie de chaudières à condensation.

Régulation

Maintes fois soulignée dans ce vadémécum, l’importance de la communication entre les régulateurs des chaudières et du cogénérateur ne fait pas l’ombre d’un doute. Le bureau d’études devra la décrire dans son cahier des charges de manière détaillée.

Lorsque les circulateurs ou pompes de circulation à vitesse variable des chaudières et du ballon de stockage débitent dans le circuit primaire en amont d’une bouteille casse-pression, ils peuvent fonctionner à faible débit ou carrément être mis à l’arrêt quand les besoins de chaleur côté secondaire sont faibles. Lorsque ces derniers redeviennent importants, il est nécessaire de redémarrer les pompes ou les circulateurs. Cela ne peut se faire qu’en intégrant les variations de température au secondaire de la bouteille casse-pression. Il faudra donc décrire ce point de régulation dans le cahier des charges.

Gestion Technique Centralisée (GTC)

Normalement quand la cogénération est de qualité, des compteurs d’énergie thermique, électrique ainsi qu’un compteur combustible peuvent être « télégérés ». Ces compteurs sont indispensables dans toutes les installations de cogénération si le maître d’ouvrage veut valoriser son économie de CO2 sous forme de Certificat Vert CV (voir les prescriptions de la CWaPE et de Brugel).

Indépendamment de cela, une supervision (GTC) peut être envisagée pour affiner la gestion de la cogénération. Vu que la période de garantie permet d’analyser le comportement de l’installation de cogénération intégrée dans la chaufferie en situation réelle, on conseillera de décrire la télégestion du cogénérateur dans le cahier des charges. C’est vrai que c’est un coût complémentaire, mais il rendra immanquablement d’énormes services au maître d’ouvrage. En effet, moyennant la description d’un protocole précis d’analyse des paramètres du cogénérateur (« Commissioning »), d’emblée, pendant la période de garantie, l’enregistrement des valeurs de ces paramètres permettra de se faire une idée précise du bon fonctionnement de l’ensemble de l’installation. Voici une liste non exhaustive des paramètres que le bureau d’études pourrait décrire dans son cahier des charges :

  • Nombre d’heures de fonctionnement de la cogénération avec les dates et heures ;
  • en fonction du temps :
    • les températures du ballon, du retour du cogénérateur, … ;
    • l’état de fonctionnement de la cogénération ;
    • l’état des alarmes ;
    •  …

Lorsque la communication est possible entre les régulateurs de la chaufferie et de la cogénération, on conseille aussi de décrire dans le cahier des charges la télégestion du régulateur de chaufferie de manière à avoir une vue d’ensemble du fonctionnement de la chaufferie y compris le cogénérateur. Voici de nouveau une liste non exhaustive des paramètres que le BE pourrait intégrer dans son cahier des charges :

  • température externe ;
  • températures aux entrées et sorties de la bouteille casse-pression si présentes ;
  • températures des départs des circuits secondaires ;
  • températures de consigne de la cascade de chaudières ;
  • niveau d’ouverture des vannes des circuits secondaires ;
  • états des chaudières ;
  • …

L’exécution

     MO       BE       INST

L’administration

Une série de démarches administratives sont nécessaires avant et pendant la mise en œuvre du projet.

Avant exécution des travaux

  • Obtenir le permis de construire.
  • Obtenir le permis d’environnement (ou permis unique).
  • Obtenir l’accord écrit du distributeur d’électricité sur le cahier des charges relatif au raccordement électrique.
  • Réservation des CV auprès de la DGO4 et demande d’avis de la CWAPE sur les valeurs à attribuer au kCO2 et au keco.

Implantation des ouvrages

  • Faire exécuter le piquetage par un géomètre.
  • Placer les panneaux de chantier.
  • Placer les palissades pour la protection des installations de chantier.
  • Définir et assurer le système qualité du chantier.

Plan d’hygiène et de sécurité du chantier

  • Fournir le plan des locaux pour le personnel et leurs accès.
  • Assurer les dessertes pour réseaux d’eau, d’électricité et d’assainissement.
  • Désigner le responsable de coordination entre maître d’ouvrage et maître d’œuvre.
  • Définir les emplacements mis à disposition pour l’entreprise : des installations, matériels, fluides et énergie pour l’exécution des travaux.

Calendrier d’exécution des travaux

  • Établir un programme d’exécution des travaux.
  • Définir les matériels et méthodes utilisés.
  • Définir le calendrier d’intervention sur le réseau électrique.
  • Définir le calendrier d’intervention sur le réseau de chauffage.
  • Informer sur la continuité de services des installations ou dates d’interruptions.

Énergie

  • Électricité : définir les conditions de comptage, de raccordement, de mise sous tension (protection) et de mise en service (réception).
  • Gaz : définir les conditions de livraison, pression, comptage.

Le suivi de chantier

L’exécution du chantier d’intégration de la cogénération est une phase très importante. En effet, c’est à ce niveau que le dimensionnement, la rédaction des cahiers des charges, l’exécution des plans, … sont confrontés à la réalité de terrain qui nécessite souvent des compromis comme :

  • L’arbitrage des choix d’équipements sur base des fiches techniques. Les caractéristiques ne correspondent pas toujours « tip top » aux prescriptions des cahiers des charges, aux dimensionnements, etc.
  • L’adaptation des tracés des circuits hydrauliques en fonction des modifications en cours de chantier qui peuvent intervenir.
  • …

Les réunions de chantier sont là pour trouver les compromis nécessaires à la bonne réalisation du projet d’intégration.

Les réceptions

   MO       BE       INST

La réception provisoire

La réception provisoire n’est pas toujours exécutée à la période idéale; c’est-à-dire lorsque les besoins de chaleur sont suffisants pour faire fonctionner l’installation de cogénération. La période idéale pour réceptionner l’installation est en mi-saison sachant que l’on peut réellement observer le bon fonctionnement du régulateur du système de cogénération et de la communication entre ce dernier et le régulateur de chaufferie. En hiver, la réception ne devrait pas poser trop de problèmes. Par contre en été, la réception pose réellement un problème, car, même si des besoins d’Eau Chaude Sanitaire (ECS) sont présents, les tests d’interaction entre la ou les chaudières et l’installation de cogénération sont limités vu les faibles besoins de chaleur.

Dans la mesure du possible il faut éviter cette période.

Toute une série de tests devra être réalisée lors de la réception provisoire. Ils devront être décrits de manière  précise dans le cahier des charges si l’on veut éviter que « pleuvent les suppléments ». Les grandes lignes des tests à réaliser sont reprises ci-dessous en mi saison par exemple. Outre les tests classiques inhérents aux installations de chauffage (sécurités sur les équipements, équilibrage des circuits, autorité réelle des vannes motorisées, tests des pompes de circulation ou des circulateurs, …), à l’installation de cogénération (sécurités, marche/arrêt du cogénérateur sur base des consignes de température,  …), on pointera les tests spécifiques à réaliser sur les interactions entre la chaufferie et l’installation de cogénération (liste non exhaustive) :

  • Tester la séquence de cascade du cogénérateur par rapport aux chaudières :
    • Le cogénérateur doit être en tête de cascade lorsque des besoins de chaleur réapparaissent après une période de non-demande.
    • Lorsque le cogénérateur ne couvre pas les besoins de chaleur, les chaudières doivent s’enclencher séquentiellement de manière optimale. À l’inverse, quand les besoins diminuent, la séquence d’arrêt des chaudières doit être opérationnelle. Le cogénérateur devra être arrêté en dernier lieu si les besoins deviennent faibles.
  • Tester l’adaptation des débits primaires en fonction des débits secondaires. Lorsqu’une bouteille casse-pression est présente avec des sondes de température de part et d’autre de celle-ci, les débits primaires doivent bien s’adapter au Δ de température donné par les sondes. On pourra mesurer aussi à différents moments de la journée les quatre températures des conduites d’alimentation de la bouteille casse-pression.
  • Analyser le comportement de l’installation de cogénération en fonction d’une demande importante d’ECS. L’augmentation temporaire de la consigne de température du départ primaire pour satisfaire ce type de besoin ne doit pas permettre le réchauffement du retour primaire au-dessus de la consigne d’arrêt du cogénérateur. C’est une manière de constater que l’échangeur du circuit ECS est bien surdimensionné pour pouvoir ramener sur le retour primaire de l’eau chaude la plus froide possible (c’est un paradoxe !).
  • Vérifier que les puissances et rendements électrique et thermique sont conformes au cahier des charges.

En cas de réception provisoire pendant la période d’été, on ne peut évidemment pas analyser et tester les installations dans des conditions optimales. Les seuls tests qui peuvent être réalisés sont principalement :

  • l’équilibrage des circuits;
  • la vérification des débits nominaux.

La période de garantie

Comme signalé précédemment, dans le cahier des charges, il est important de décrire une période de garantie d’un an au minimum pour pouvoir couvrir une saison de chauffe complète et deux mi-saisons.

Pendant cette période, si une installation de Gestion Technique Centralisée (GTC) a été décrite dans le cahier des charges, un protocole de « commissioning » (sur base d’une analyse fonctionnelle) devra être mis en place de manière à contrôler le bon fonctionnement de la cogénération. Lorsqu’une GTC n’a pas été décrite dans le cahier des charges, Il faudra prévoir un relevé manuel des paramètres de fonctionnement principaux du cogénérateur, et ce à intervalles réguliers. On conseille aussi de décrire dans le cahier des charges le protocole d’analyse et de présentation des résultats issus des « trends » (enregistrements).

La réception définitive

La réception définitive en fin de garantie représente la dernière chance de pouvoir définitivement optimiser l’intégration en chaufferie de l’installation de cogénération. Elle n’est en fait qu’une  « deadline » ! Le gros des remarques par rapport à l’intégration du cogénérateur aura dû être résolu pendant la période de garantie.

Les documents utiles

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 10 Mar, 2016

Choisir le cogénérateur

Source : Cogengreen.

Puissances ?

Les puissances du cogénérateur sont déterminées lors du dimensionnement des équipements. Si le dimensionnement s’est limité à une évaluation grossière des puissances nécessaires, des investigations supplémentaires selon la méthodologie présentée compléteront et valideront les résultats.

Combustible ?

Le gaz est très généralement préféré au fuel, lorsqu’il est disponible. Son premier avantage se situe au niveau des émissions moindres que dans le cas du mazout. Autre avantage, les rendements des moteurs à gaz sont généralement meilleurs, mais pour un coût d’investissement plus élevé.

Groupe de secours ?

Une cogénération peut être pensée pour fonctionner en groupe confort secours. Une telle solution doit cependant s’étudier avec beaucoup d’attention, notamment par rapport au délai lors de la mise en route. Parmi les éléments à étudier dans ce cas, citons encore le déclassement nécessaire du moteur  d’un groupe secours existant, si l’on souhaite le faire fonctionner en cogénération. En effet, le fonctionnement en cogénérateur présente des contraintes plus importantes qu’un fonctionnement en groupe secours du fait de la durée de fonctionnement plus importante.

Si le groupe fonctionne au gaz, le fonctionnement du groupe en secours ne sera garanti que si l’approvisionnement en gaz est garanti. Notons finalement à ce sujet qu’un groupe fonctionnant au gaz a une reprise de charge plus lente, de l’ordre de quelques minutes pour atteindre la pleine charge, ce qui est une contrainte de taille pour un groupe de secours dans un hôpital par exemple.

Dans ce dernier cas, la présence d’un groupe de cogénération peut être valorisé comme deuxième source autonome, sorte de groupe de confort.

Le fonctionnement de plusieurs petites machines en parallèle peut-être une alternative, quoique d’un coût sensiblement plus élevé, proportionnellement plus chères que les grosses unités. Cette solution limite les risques de pannes et permet un fonctionnement à charge réduite, notamment pendant l’entre-saison. Cette option présente encore des difficultés quant à la complexité de sa régulation et à son intégration dans le système de gestion des chaudières existantes.

Écrêtage ?

La cogénération présente une philosophie fondamentalement différente de l’écrêtage. Un moteur dédié exclusivement à l’écrêtage ne fonctionne en effet que pour les heures pleines de pointe, c’est à dire 4 heures par jour pendant 4 mois par an. Il s’agit le plus souvent d’un groupe au mazout. À l’opposé, une cogénération fonctionnera de la façon la plus continue possible. Il s’agit le plus souvent d’un groupe au gaz.

Le module sur la cogénération à été réalisé par l’ICEDD, Institut de Conseil et d’Etudes en Développement Durable asbl – © ICEDD – icedd@icedd.be

Author Image Posted By : Sylvie 1 Oct, 2015

Consommations [Calculs]

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Froid alimentaire [Calculs]

Froid alimentaire [Calculs]

Les bilans énergétiques

  • Le bilan frigorifique d’une chambre froide
    Description de la méthode de calcul et d’inventaire des quantités de chaleur à extraire de l’intérieur d’une chambre froide, pour maintenir constante la température à cœur des produits. Méthode de calcul.

Les aspects techniques

  • L’ouverture des portes et le dégivrage des chambres froides (xls) 
    Le tableau vise à faire prendre conscience de l’énergie nécessaire, soit à la condensation de la vapeur introduite dans une chambre froide positive, soit au givrage de cette vapeur. Il permet également de calculer le volume de givre piégé par l’évaporateur d’une chambre froide négative, ainsi que l’énergie nécessaire pour les dégivrages, d’une manière globale pour une période de temps pendant laquelle la chambre froide est utilisée chaque jour.
  • Le gel sous le sol d’une chambre froide (xls)
    Ce tableur permet d’estimer la puissance chauffante à installer sous le sol d’une chambre froide pour éviter le gel en cas de température intérieure négative, et l’influence de l’isolation sur ce calcul.
  • L’isolation des conduites de vapeur (xls)
    Ce tableur permet de calculer les pertes d’énergie d’une conduite parcourue par de la vapeur d’eau, comparer 2 solutions d’isolations (par exemple, la rentabilité d’une épaisseur d’isolation complémentaire), calculer la rentabilité d’une isolation (en partant d’une situation 1 sans isolant).
Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Stérilisation [Calculs]

Stérilisation [Calculs]

  • L’isolation des conduites de vapeur (xls)  Fichier à dézipper.
    Ce tableur permet de calculer les pertes d’énergie d’une conduite parcourue par de la vapeur d’eau, comparer 2 solutions d’isolations (par exemple, la rentabilité d’une épaisseur d’isolation complémentaire), calculer la rentabilité d’une isolation (en partant d’une situation 1 sans isolant).
Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Cuisine collective [Calculs]

Cuisine collective [Calculs]

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Electricité [Calculs]

Electricité [Calculs]

Installations électriques de base

  • La simulation de la consommation électrique d’un bâtiment (xls) Fichier à dézipper.
    Ce tableur estime la consommation électrique annuelle, la pointe quart horaire et la facture électrique annuelle en tarif horo-saisonnier d’un bâtiment existant ou neuf. Il ne s’applique actuellement qu’aux immeubles de bureaux et éventuellement à des écoles.
  • Le dimensionnement des câbles d’alimentation d’un bâtiment (xls) Fichier à dézipper.
    Ce tableur a pour but d’évaluer l’intérêt énergétique et économique de démultiplier les câbles d’alimentation électrique entre le transformateur et le tableau basse tension. Ayant choisi la dimension du câble suivant les méthodes de dimensionnement traditionnelles, vous pouvez comparer la solution du câble unique avec deux autres combinaisons de câbles multiples (de même section).

Énergies renouvelables

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Eclairage [Calculs]

Eclairage [Calculs]

Les outils de vérification du dimensionnement

Les calculs de rentabilité

Les outils de maintenance

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Eau chaude sanitaire [Calculs]

Eau chaude sanitaire [Calculs]

Les calculs liés à l’utilisation

Les interventions techniques

 Les installations solaires thermiques

  • Le logiciel de préfaisabilité : Quick-scan (xls) Fichier à dézipper.
    Cet outil, développé par la Wallonie et la Région de Bruxelles-Capitale, permet de prédimensionner un grand système solaire thermique. Son mode d’emploi est disponible en ligne.
Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Ventilation [Calculs]

Ventilation [Calculs]

Air intérieur – réduction des risques liés au Coronavirus

  • Outil d’aide à la réduction des risques liés au Coronovirus (xls)
    Cet outil est lié au rapport ‘Schools for Health’ sur les stratégies de réduction des risques liés au COVID19 dans les écoles et ne devrait pas être utilisé sans. Il est développé pour soutenir les efforts visant à compléter la ventilation par de l’air extérieur avec des techniques éprouvées de purification d’air par filtration. La traduction de cet outil est faite par prof Geoffrey van Moeseke, UCLouvain, en mars 2021. Sa publication dans Energie+ est faite avec l’accord des auteurs.

Paramètres de calcul et dimensionnement

  • L’équilibrage d’une installation aéraulique-type (xls)
    Ce tableur offre une modélisation d’une installation aéraulique type destinée à illustrer la théorie de l’équilibrage aéraulique. Il doit être utilisé en parallèle à la lecture de la page « Améliorer le réseau de distribution d’air » qui décrit son mode d’emploi. L’objectif   En agissant sur les ouvertures de vannes, il faut obtenir les débits souhaités en adaptant les débits réels supposément constatés dans une installation existante. Une version résolue est disponible pour vérification.
  • Le calcul acoustique d’une installation type
    Cette page présente un exemple de calcul acoustique d’une installation de ventilation mécanique. Le calcul détaillé des puissances sonores et des atténuations créées par chaque composant d’une installation dépasse cependant la portée de cet outil. Celui-ci se contente de reprendre ici les résultats d’un calcul développé dans le document très complet « Protection acoustique dans les installations du bâtiment » – Office fédéral des questions conjoncturelles, 3000 Berne, 1989.

Calcul des consommations liées à la ventilation hygiénique

  • L’évaluation des consommations liées à la ventilation (xls)
    Un tableur permettant de réaliser le bilan énergétique global d’une installation de ventilation, en intégrant la consommation des ventilateurs et le préchauffage de l’air neuf. Ce tableur inclut des données climatiques pour Uccle et St-Hubert. Il est possible de tester l’impact de certaines améliorations : diminuer le temps de fonctionnement journalier, améliorer le rendement du ventilateur, diminuer de façon fixe le débit d’air neuf, gérer le taux d’air neuf au moyen de sondes CO2, couper la ventilation local par local en fonction d’une détection de présence.

Calcul des économies liées à la ventilation intensive (free cooling) :

  • Estimer l’intérêt du free cooling mécanique diurne (fichier xls)
    Ce programme permet de comparer, pour une même charge thermique à évacuer, la consommation électrique des ventilateurs nécessaires au free cooling diurne mécanique et la consommation électrique d’un ventilo-convecteur (production frigorifique, ventilateur du ventilo, pompe de circulation d’eau froide).

Cas particulier – les écoles :

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Humidification et déshumidification [Calculs]

Humidification et déshumidification [Calculs]

Données physiques

Équipements de gestion de l’humidité

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Climatisation [Calculs]

Climatisation [Calculs]

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Chauffage [Calculs]

Chauffage [Calculs]

Outils dédiés aux équipements de production de chaleur

  • Vérifier le dimensionnement d’une chaudière (fichier xls)  
    Ce tableur vous permet d’estimer la puissance nécessaire d’une chaudière connaissant le volume chauffé et la surface déperditive (= surface des parois entourant le volume chauffé (façades, toit, sol)) et en estimant le degré d’isolation du bâtiment. Cet outil n’est utilisable qu’à titre indicatif et ne peut pas servir de dimensionnement de la chaudière. Afin d’aller plus loin dans votre démarche, vous trouverez ci-dessous un outil permettant une évaluation approchée du niveau K, complétée de quelques informations relatives aux systèmes de ventilation et à l’étanchéité à l’air, pour faire un premier bilan énergétique : Niveau d’isolation thermique global et premier bilan énergétique (fichier xls)
  • Dimensionner une chaudière (xls) Fichier à dézipper.
    Ce tableur vous permet de dimensionner une chaudière selon les normes de dimensionnement. Le nombre de variables nécessaires pour l’utilisation de cet outil est plus élevé que pour l’outil de vérification de dimensionnement ci-dessus.
  • Analyser une attestation de chaudière (xls)  Fichier à dézipper. 
    Ce tableur, créé par le facilitateur URE wallon, permet la vérification et l’analyse de l’attestation de la chaudière. En particulier, il permet d’obtenir les valeurs de références pour les paramètres clés d’une attestation de chauffage.

  • Comparer les combustibles (xls)
    Ce tableur, créé par le facilitateur URE wallon, permet de comparer le coût des différents combustibles, en uniformisant les unités pour permettre une comparaison à contenu énergétique équivalent.

Outils dédiés aux équipements de distribution de chaleur

  • Exemple de dimensionnement d’un vase d’expansion à pression variable
    Une page décrivant la méthode de dimensionnement des vases d’expansion fermé à pression variable. Pour les vases d’expansion à pression constante que l’on peut retrouver dans les très grosses installations, nous renvoyons le lecteur intéressé au rapport technique du CSTC (n°1 – 1992) ou au document « Méthode de calcul pour vases d’expansion dans des installations de chauffage et de refroidissement central » du SAPC de la régie des bâtiments.

Outils dédiés aux émetteurs de chaleur

Outils dédiés aux équipements de régulation

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Bilan carbone et environnemental [Calculs]

Bilan thermique [Calculs]

Outils généraux

Outils dédiés à des applications particulières

  • Confrontation d’alternatives au niveau d’un local (xls)
    Bilan comparatif établissant l’impact de l’orientation, l’inertie, le niveau de gains internes, le type de vitrage, la surface vitrée et la présence de store sur les besoins nets d’énergie et les puissances requises pour un local de bureau type.
  • Etablir le bilan carbone dans une école (lien externe)
    Cet outil et le document qui l’accompagne, a pour objectif de vous guider pas à pas dans la réalisation du bilan carbone de votre établissement scolaire à l’aide du calculateur fourni par COREN asbl. Le document joint décrit en détail l’utilisation de l’outil et vous présente des pistes pédagogiques et des propositions d’actions environnementales afin de donner tout son sens à la réalisation du bilan carbone. L’outil a pu être réalisé dans le cadre des missions d’intérêt public confiées par la Wallonie à COREN asbl et grâce au soutien de l’Agence Wallonne de l’Air et du Climat.

    Vous avez également la possibilité de bénéficier d’un accompagnement direct de COREN asbl pour réaliser ce bilan ou pour mener un projet environnemental de plus grande envergure. Pour cela, contactez-nous via info@coren.be ou au 02/640.53.23.

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.

Author Image Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Enveloppe du bâtiment [Calculs]

Enveloppe du bâtiment [Calculs]

  • Le coefficient de transmission thermique d’une parois (fichier xls)
    Calculer le coefficient de transmission thermique « U » d’une paroi, en W/m²K, selon la méthode de calcul de l’annexe VII de la méthode PER (PEB wallonne), basée principalement sur la norme NBN EN ISO 6946:2008. Ce fichier est également disponible en version dynamique avec une base de donnée séparée. La version dynamique de l’outil intègre une mise à jour plus fréquente des données (exemple le lambda λ des différents matériaux). Pour les utiliser, les outils Excel doivent être téléchargés dans le même fichier sur votre PC ou MAC.  

Outils indicatifs pour une prise de décision rapide

Author Image Posted By : Sylvie 16 Sep, 2014

Repérer les fuites de fluides frigorigènes

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.

Author Image Posted By : Sylvie 16 Sep, 2014

Fluides frigorigènes [Chauffage – PAC]

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

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.

Author Image Posted By : Sylvie 15 Sep, 2014

Comparer les performances des fluides frigorigènes

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 [kWf];
  • Puissance électrique absorbée : puissance électrique par le compresseur [kWe].

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 : Pfrigorifique = 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 ηcomp = 0,85;
  • rendement du moteur électrique ηmoteur_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 Δhévaporateur = 405 – 244 = 161 kJ/kg;
  • énergie théorique de compression : soit Δhcompression = 443 – 405 = 38 kJ/kg;
  • de volume massique à l’aspiration : soit Vmassique_aspiration = 0,067 m³/kg.

Calculs :

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

débitmassique = Pfr / hévaporateur [kg/s]

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

  • Le volume réel à aspirer par le compresseur est de :

Volumeréel = débitmassique * volumemassique_aspiration

Volumeréel  = 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 :

ηVolume = 1 – (0,05 x τ)

Où :

τ  = HP / BP (en pression absolue)

ηVolume  = 1 – (0,05 x HP / BP)

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

  • Le débit théorique nécessaire est de :

Débitcompresseur = Volumeréel / ηVolume

Débitcompresseur = 150 / 0,78

Débitcompresseur = 190 m³/h

  • La puissance électrique du moteur du compresseur est de :

Pelectr_absorbée = débitmassique x  Δhcompression x (1 /  ( ηcomp x ηmoteur_elec x ηVolume))

Pelectr_absorbée = 0,62 x 38 x (1 / (0,85 x 0,85 x 0,785))

Pelectr_absorbée = 41 kW

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

COP = Pfrigorifique / Pelectr_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 ηVolume

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.
Author Image Posted By : Sylvie 11 Sep, 2014

Caractéristiques thermiques des sols

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
Author Image Posted By : Sylvie 9 Sep, 2014

Choisir le CO2 comme fluide réfrigérant ou caloporteur

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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;
  • …

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 CO2 et 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.

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.

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.

Author Image Posted By : Sylvie 5 Août, 2014

Projet ECOFFICE

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 : Umur = 0.17 W/m²K, triples vitrages Ug = 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.
Author Image 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.

climatiser_local_35.gif (6397 octets)

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
Author Image Posted By : Sylvie 3 Fév, 2014

Système de refroidissement [Concevoir l’avant projet ]

Système de refroidissement

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.

Author Image 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.
Author Image Posted By : Sylvie 30 Jan, 2014

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

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
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 θrm= (1 – ) θed-1 + .θrm-1, avec θed-1 la température extérieure journalière moyenne la veille et θrm 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
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.

Author Image Posted By : Sylvie 29 Jan, 2014

Confort au sens large

Date :

  • janvier 2014

Auteur :

  • Geoffrey.

Notes :

  • 29-01-2014 : 1er passage de mise en page [liens internes, tdm, rapide passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Antidote :

  • Oui

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 :

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

Author Image Posted By : Sylvie 25 Juin, 2013

Exemple de rénovation d’éclairage d’une salle omnisports

Exemple de rénovation d'éclairage d'une salle omnisports

Avant rénovation

Photo avant rénovation. 

 

Commande manuelle des luminaires.

  • Puissance installée : 45 luminaires 3 x 58 W = 9,4 kW.
  • Niveau d’éclairement moyen : 350 lux (norme 300-500 lux) (uniquement éclairage artificiel).
  • Puissance spécifique : 3,7 W/m²/100 lux.
  • Consommation : 32 760 kWh/an.
  • Équipements : Les luminaires à réflecteur martelé sont protégés par une corbeille en acier. Ils sont équipés de ballasts magnétiques, et de lampes industrielles.
  • Gestion : Il n’y a pas de gestion de l’éclairage en fonction de la présence ou en fonction de la lumière du jour entrante.
  • Coûts : Le cout global (investissement et fonctionnement) pourrait être amélioré en mettant des luminaires équipés de ballasts électroniques dimmables en combinaison avec un système de gestion automatisée. Une étude aide à dimensionner correctement l’installation d’éclairage.

Après rénovation

Photo après rénovation -01. Photo après rénovation -02.

  • Puissance installée : 45 luminaires 4 x 35 W = 6,93 kW.
  • Niveau d’éclairement moyen : 500 lux (norme 300 – 500 lux).
  • Puissance spécifique : 1,8 W/m²/100 lux.
  • Consommation : 18 000 kWh/an soit 45 % d’économie d’énergie.
    (le temps de retour est estimé à 11 ans, mais le confort visuel beaucoup après rénovation est plus élevé !).
  • Gestion : Gestion manuelle en fonction de l’activité :
    100 lux pour le nettoyage de la salle
    300 lux niveau de training
    500 lux niveau de compétition
    ON/OFF manuel.

NB. : il existe des systèmes d’éclairage dimmables : gradation en fonction de la lumière du jour.
(Ici le client a souhaité un système simple et avec sensibilisation de l’utilisateur – il y  a de plus un surveillant).

Système de gestion.

Source : audit réalisé par I. Van Steenbergen.

Author Image Posted By : Sylvie 24 Juin, 2013

Exemple d’audit éclairage d’une école

Exemple d'audit éclairage d'une école

Introduction

Nous reprenons ici les résultats d’un audit des installations d’éclairage d’une école primaire et d’une école maternelle. L’objectif principal de cet audit est d’évaluer le potentiel d’économie d’énergie propre à une rénovation de l’installation d’éclairage existante. Ces préoccupations énergétiques ne peuvent cependant en aucun cas occulter le but primordial de l’éclairage qui s’exprime en termes de confort visuel.

Les relevés des niveaux d’éclairement ont été réalisés lors de notre visite sur site au moyen d’un luxmètre digital étalonné. Les locaux ont été mesurés en journée (en déduisant l’éclairage du jour).

L’ensemble des calculs et simulations a été effectué au moyen du logiciel DIALUX.

Présentation des bâtiments

Bâtiment A – École primaire

Plan bâtiment A - école primaire.

Bâtiment B – École primaire

Plan bâtiment B - école primaire.

Bâtiment M – École maternelle

Plan bâtiment M – École maternelle

Rappel : économie d’énergie en éclairage

Les 3 fondements de l’économie d’énergie en éclairage sont :

  • Éteindre ou dimmer l’éclairage quand on n’en a pas besoin (de façon intelligente ; favorisez la lumière du jour !)

Concevoir

 Pour en savoir plus sur la gestion efficace de l’éclairage.
  • Dimensionnement et planification adéquats (confort visuel, exploitation, concept, normes,…)

Mais ne perdons pas de vue le confort visuel !

Une installation d’éclairage de haut confort visuel tient compte de :

  • un niveau d’éclairement correct, en conformité avec la norme EN 12 464-1.
  • une bonne maîtrise de la luminance en fonction de l’application (pour éviter les problèmes d’éblouissement éventuels).

Analyse de la situation actuelle

Les lampes et les luminaires

Les lampes fluorescentes

Nous répertorions sur le site des luminaires de type et de qualité diverses équipés de lampes à fluorescence d’âge et de qualité variés.

La majorité des lampes fluorescentes est de bonne qualité (type HR de teinte 840).

Mais dans quelques vieux luminaires se trouvent encore des lampes de type « industriel » (teinte 133, 640…). Ces lampes étaient bon marché à l’achat, mais sont de mauvaise qualité.
Les lampes industrielles subissent une rapide dépréciation de leur flux lumineux.
Un autre défaut majeur est leur pauvre rendu des couleurs (IRC 65).

Évolution du flux lumineux dans le temps.

Les luminaires sont équipés de ballasts magnétiques et de starters.

Les luminaires

1. Bâtiment A– École primaire

photos éclairage école primaire - bât. A. photos éclairage école primaire - bât. A. photos éclairage école primaire - bât. A.

Dans les classes – réflecteur blanc T8 2 x 36 W – lampes nues, remarquez la teinte différente des lampes.
Dans le couloir – luminaire IP à coiffe perlée, ces luminaires ont un faible rendement.

2. Bâtiment B – École primaire

photos éclairage école primaire - bât. B. photos éclairage école primaire - bât. B. photos éclairage école primaire - bât. B.

Dans les classes – luminaires à grille T8 2 x 58 W (quelques 2 x 36 W), remarquez la teinte différente des lampes.
Dans le couloir – luminaire à grille (en mauvais état).

3. Bâtiment M – École maternelle

photos éclairage école maternelle - bât. M.

Des luminaires à plexi opalin, ces luminaires ont un faible rendement.

Niveaux d’éclairement et confort visuel

La norme NBN EN 12464-1 « Éclairage des lieux de travail » recommande un niveau d’éclairement de :

  • Couloirs et circulation : 100 à 150 lux ;
  • Salle de gym : 300 (éventuellement 500 lux en cas de compétition sport) ;
  • Classe : 300 lux (tableau 500 lux) – bonne uniformité et contrastes faibles.

La norme recommande également de limiter l’éblouissement.

Voici les résultats de nos mesures de niveau d’éclairement (mesures ponctuelles en déduisant la lumière du jour) :

1.    Bâtiment A – École primaire

  • Classes : 350 lux
  • Couloir : 30 à 180 lux

2.    Bâtiment B – École primaire

  • Classes : 520 lux (surdimensionné)
  • Bureau de direction : 680 lux (surdimensionné)
  • Salle de réunion : 580 lux

3.    Bâtiment M – École maternelle

  • Classes : 240 lux
  • Salle polyvalente : 285 lux
  • Réfectoire : 310 lux

Les niveaux d’éclairement sont presque conformes aux recommandations de la norme.

Puissance spécifique

La puissance spécifique, exprimée en W/m²/100 lux est un indicateur utilisé pour juger l’efficacité énergétique d’une installation d’éclairage.

La puissance installée après travaux ne peut dépasser :

  • entre 3 W/m² par 100 lux dans un couloir bas et large (min 30 m x 2 m x 2,8 m) et 8,5 W/m² par 100 lux dans un couloir haut et étroit (min. 30 m x 1 m x 3,5 m),
  • 2,5 W/m² par 100 lux dans les bureaux, les halls industriels et autres locaux.

Une tolérance pour des locaux de grandes hauteurs étant acceptable.
Des plafonds et des murs clairs aident à diminuer la puissance spécifique.

Les puissances spécifiques calculées varient entre 2,53 et 6,82 W/m²/100 lux.
(Voir tableau URE Situation actuelle en annexe).

Nous concluons d’après les valeurs calculées que l’installation d’éclairage devrait être améliorée.

La gestion de l’éclairage

Nous estimons le nombre d’heures d’allumage des lampes à 1 500 h/an (sauf quelques locaux spécifiques : dortoir, tableaux, salle de réunion, cuisine…: 1 000 h ou 500 h – Voir tableau URE).

Il n’existe pas de système de gestion automatisée de l’éclairage.
Les classes ont min. 2 circuits d’allumage (côté fenêtres, côté couloir, tableau).

Les mesures réalisées sur place montrent un apport important de lumière naturelle dans plusieurs locaux (par des fenêtres et par des lanterneaux).

Grandes fenêtres dans l’école primaire et lanterneaux dans l’école maternelle.

Une économie énergétique peut être obtenue par la gestion automatisée de l’éclairage en fonction de la présence et/ou en fonction de l’apport de la lumière du jour.

Détail pour la rénovation de locaux type

Attention! Cet exemple d’audit date de 2013, les solutions proposées ne sont plus d’actualité!

École primaire – Classe type

Photo école primaire - Classe type.

  • Classe type – Situation actuelle
  • Luminaires 2 x 36 W ballasts magnétiques
  • Niveau d’éclairement correct : 350 lux
  • Éclairage du tableau insuffisant
  • 2,78 W/m²/100 lux.

Proposition
Enlèvement et évacuation des vieux luminaires.
Placement de luminaires à grille pour l’éclairage général des classes de l’école primaire (6 dans l’exemple présenté ici) :

 

  • Équipés de ballast électronique dimmable et de lampe T5 ECO (1 x 32 – 35 W).
  • Rendement élevé, flux large (batwing).
  • ENEC.
  • 2 circuits de commande à maintenir.
  • Luminaires dimmables côté fenêtres.

Option : éclairage du tableau par 2 luminaires à flux asymétrique pour l’éclairage des tableaux. Équipés de ballast électronique et de lampe 1 x 55 – 58 W T8 ECO.

⇒ Résultat des simulations : 337 lux    1,22 W/m²/100 lux

Implantation des luminaires.

Économie d’énergie possible > 70 %.

***

École maternelle – Classe type

Photo école maternelle - Classe type.

  • Classe type – Situation actuelle
  • Luminaires 2 x 58 W ballasts magnétiques
  • Niveau d’éclairement : 240 lux
  • 6,82 W/m²/100 lux

Proposition
Enlèvement et évacuation des vieux luminaires.
Placement de luminaires à plexi pour éviter un regard direct dans les lampes (pour l’école maternelle).

 

  • Rendement élevé (> 85 %).
  • Équipés de ballast électronique et de lampe T5 ECO (1 x 45 – 49 W).
  • 2 circuits de commande à maintenir.
  • Luminaires dimmables au dortoir !

⇒ Résultat : 307 lux    2,21 W/m²/100 lux

Implantation des luminaires.

Économie d’énergie possible > 60 %.

***

Réfectoire

Photo réfectoire.

  • Réfectoire – Situation actuelle
  • Luminaires 1 x 36 W ballasts magnétiques
  • Niveau d’éclairement : 310 lux
  • 5,09 W/m²/100 lux.

Proposition
Enlèvement et évacuation des vieux luminaires.
Placement de 8 luminaires à plexi pour éviter un regard direct des lampes.

  • Rendement élevé (> 85 %) !
  • Équipé de ballast électronique et de lampe T5 ECO (1 x 45 – 49 W).
  • Luminaires dimmables en fonction de la lumière du jour.

⇒ Résultat : 275 lux    2,29 W/m²/100 lux

 

Implantation des luminaires.

Économie d’énergie possible > 70 %.

***

Salle polyvalente

Photo salle polyvalente.

  • Salle polyvalente – Situation actuelle
  • Luminaires 2 x 58 W ballasts magnétiques
  • Niveau d’éclairement : 285 lux
  • 4,04 W/m²/100 lux

Proposition
Enlèvement et évacuation des 12 vieux luminaires.
Placement de 6 luminaires renforcés pour salle de gym équipée de ballast électronique et de 4 x 45 W T5 ECO (4 x 45 – 49 W) (éventuellement dimmable).

  • Résistance aux chocs de ballons (Conforme DIN 57710 Teil 13/VDE 0710 Teil 15/05.81)
  • Rendement élevé (> 70 %).
  • ENEC
  • 2 circuits de commande ou luminaires dimmables

⇒ Résultat : 359 lux    2,32 W/m²/100 lux

Implantation des luminaire.

Économie d’énergie possible > 25 %.

Résultats

Sur base de cet avant-projet et les calculs effectués, l’économie d’énergie moyenne en éclairage entre 37 et 77 % dans le cas d’une rénovation de l’éclairage comme décrit dans ce rapport. La nouvelle installation d’éclairage est des plus en conformité avec la norme européenne traitant de l’Éclairage des lieux de travail intérieurs. (EN 12464-1) et limite tout risque d’éblouissement causé par des luminances trop élevées.

Situation actuelle

  • Puissance installée de l’éclairage : 32,41 kW
  • Consommation électrique de l’éclairage : 44.373 kWh/an

Après rénovation de l’éclairage

  • Puissance installée de l’éclairage : 14,4 kW
  • Consommation électrique de l’éclairage : 16.071 kWh/an

Résultat

  • Économie en puissance installée : 18,01 kW
  • = économie de 55 %
  • Économie en consommation électrique/an : 28.302 kWh/an
  • = économie de 64 %

Source : audit réalisé par I. Van Steenbergen.

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Author Image Posted By : Sylvie 10 Juin, 2013

Types d’isolants : généralités

Types d'isolants : généralités

Un matériau est généralement considéré comme « isolant » lorsque son coefficient de conductivité thermique à l’état sec est inférieur ou égal à 0.07 W/mK.

Les grandes catégories d’isolants

Les isolants synthétiques

On regroupe sous ce nom les isolants tels que les mousses de polyuréthane et de polystyrène. Ces matériaux sont très défavorables. Issus de la chimie du chlore et du pétrole, ils sont produits à partir de matières non renouvelables et selon des procédés énergivores.

Ces isolants contiennent des substances qui appauvrissent la couche d’ozone (comme les HCFC) et libèrent des gaz toxiques et mortels en cas d’incendie. Des substituts aux CFC commencent à être utilisés et on a recours lors de la fabrication à de plus en plus de matériaux recyclés.

Dans cette catégorie, la mousse phénolique semble faire exception. Ces très bonnes caractéristiques thermiques associées à son caractère renouvelable, au faible rejet de polluant au long de sa durée de vie la rendent plus intéressante que les autres isolants synthétiques. Mais ce matériau récent ne possède pas encore réellement de filière de distribution et le retour pratique sur son utilisation et sa mise en œuvre est encore réduite.

Pour en savoir plus sur les isolants synthétiques : cliquez ici !

Les laines minérales

Ces isolants sont issus de matériaux abondants (roches volcaniques et sable) et présents en Europe. Ils sont souvent composés de matériaux recyclés. Tant que la teneur en liant reste inférieure à 5%, leur élimination se fait par mise en décharge comme matériaux inertes ou par recyclage complet (laine de roche). Leur procédé de fabrication est toutefois également très énergivore.

Pour en savoir plus sur les laines minérales.

Les isolants biosourcés

Ces isolants combinent généralement un matériau issu de sources renouvelables (végétaux, cellulose recyclée), et un mode de production peu énergivore.

Remarquons que la matière première est parfois peu abondante, ou disponible uniquement dans certaines régions (ex. liège).

En général, l’élimination des isolants « écologiques » peut se faire sans danger par compostage. Mais cela dépend du mode de fabrication. Par exemple, les isolants à base de chanvre ou de lin contiennent souvent du polyester.

Pour en savoir plus sur les isolants biosourcés.

Les formes d’isolant

Selon leur nature, les matériaux isolants présentent différentes formes, raideurs et résistances à la compression :

Formes Matériaux
Matelas semi-rigide ou souple : La laine de roche, la laine de verre, les fibres traitées organiques (chanvre, …) ou animales (laine, ….) …
Panneaux rigides : La mousse de polyuréthane, de polystyrène expansé ou extrudé, le verre cellulaire, les panneaux organiques (fibre de bois avec liant bitumineux ou caoutchouc, …), le liège …
Les flocons ou granulés : Les granulés de perlite ou de vermiculite, les granulés de polystyrène expansé, les granulés de liège, les flocons de laine minérale insufflés, les flocons de papier recyclé …

Les matériaux composites

Il existe des matériaux composites qui sont constitués de plaques juxtaposées de matériaux différents, isolants ou non.

Ces panneaux combinent les propriétés des matériaux qui les composent : résistance à la compression, imperméabilité à la vapeur, qualités thermiques, comportement au feu, comportement à l’humidité, aspect fini, etc.
Exemples :

Panneaux sandwiches autoportants avec ou sans armature de renforcement.

Panneaux de mousse PUR avec lestage ou surface circulable en béton.

Panneau complexe.

Panneaux complexes comprenant une couche d’isolant collé à une plaque de plâtre enrobé de carton avec interposition éventuelle d’un pare-vapeur entre le plâtre et l’isolant. L’isolant peut être de la mousse de polystyrène expansé ou extrudé, de la mousse de polyuréthanne, de la laine minérale.

Les isolants à pente intégrée

Les mousses synthétiques, le verre cellulaire, la laine de roche existent sous forme de panneaux dont les faces ne sont pas parallèles et forment un système permettant de faire varier l’épaisseur de l’isolant de façon continue. Des panneaux à double pente et des pièces spéciales de noues et d’arêtes sont en général également disponibles.

Isolant à pente intégrée sur une
toiture plate avant pose de l’étanchéité.

Grâce à ce système, il est possible de créer ou d’augmenter la pente de la couverture.

Les fabricants disposent généralement de services qui étudient la toiture et fournissent un plan de pose des isolants à pente intégrée.

Avantages

La réalisation ou la correction de la pente ne nécessite qu’une seule opération.

La charge sur le support est plus faible que s’il est fait usage d’un autre matériau pour réaliser la pente.

Inconvénients

L’épaisseur n’étant pas constante, l’isolation de la toiture plate le sera également. L’isolation devant être suffisante partout, une épaisseur suffisante d’isolant doit être prévue au point bas de la pente.

Pour former les pentes, une quantité importante d’isolant est donc nécessaire avec une conséquence sur le coût. À cela s’ajoutent les coûts liés aux difficultés de fabrication et d’études.

Quel isolant pour quel usage ?

Le tableau suivant présente une partie des choix envisageables pour isoler un bâtiment. Cette liste n’est bien entendue pas exhaustive. La colonne « choix traditionnel » montre ce qui est traditionnellement réalisé. Les deux autres colonnes, montre vers quelles solutions il faut se tourner lorsque l’on veut se rapprocher d’une démarche d’éco-construction.

Choix traditionnel

Choix plus écologique

Choix plus écologique

+

++

Dalle de sol

Polyuréthane

Polystyrène

Laine de roche haute densité

Verre cellulaire.

Argile expansé.

Double mur extérieur

Polyuréthane

Polystyrène

Laine minérale

Laine végétale et animale.

Chaux-chanvre (ossature bois).

Flocons de cellulose (ossature bois).

Toiture à versants

Laine minérale

Laine végétale et animale.

Chaux-chanvre (ossature bois).

Flocons de cellulose (ossature bois).

Toiture plate

Polyuréthane

Polystyrène

Laine minérale

Verre cellulaire.

Argile expansée.

Flocons de cellulose (ossature bois).

Tableau présentant les différentes solutions techniques d’isolation envisagées classiquement.

Caractéristiques principales des différents matériaux isolants

TYPE

–

Matériau

Masse

Conduct. therm.λi

Perm. à la vapeur µ moyen

Résist. à la compr.

Réact.
au feu

–

–

–

Kg/m³

W/mK

–

kg/cm²

–

 Minéral

MW

  Laine de roche

150 à 175

0.045

1.5

0.7 à 1.3 (*)

+

–

GW

 Laine de verre

13 à 60

0.045

1.5

0.2 (*)

+

–

CG

 Verre cellulaire

120 à 135

0.055

infini

7 à 16 (**)

+

–

EPB

 Perlite expansée

170

0.060

5 à 10

3,5 (*)

+

 Synthétique

PUR

 Polyuréthane

30

0.035

100

1.2 (*)

–

–

PIR

Polyisocyanurate

30

0.035

50

1.2 (*)

+

–

PF

Mousse phénolique

40

0.045***

80

1.2 (*)

+

–

EPS

 Polystyrène expansé

15 à 40

0.045

20 à 150

0.7 à 3.5 (*)

–

–

XPS

 Polystyrène extrudé

32 à 45

0.040

225

3 à 7 (*)

–

 Végétal

ICB

 Liège

100 à 120

0.050

12 à 28

–

+

Produits minces réfléchissants

PMR

 Multicouche composé de feuilles d’aluminium, mousses plastiques, polyéthylène, …

+ 70

0.050

12 à 28

–

+

(*) à 10 % de déformation (valeur moyenne)
(**) à la rupture
(***) pour les plaques en mousse résolique à cellules fermées revêtues, cette valeur est ramenée à 0,03 W/(mxK).

Remarques.

  • Les valeurs de λi sont tirées de l’annexe VII de la PEB. Elles correspondent à des matériaux non certifiés. Ces valeurs sont pessimistes.
  • Des valeurs plus favorables peuvent être considérées lorsque le matériau est connu quant à sa nature et certifié. Ces valeurs sont également données dans la NBN B 62-002/A1.
  • Lorsque les matériaux sont connus quant à leur nature, leur nom de marque et leur type et qu’ils sont certifiés, on considère leλi donné dans leurs certificats BENOR, ATG ou documents équivalents. Ces valeurs peuvent être beaucoup plus favorables que les précédentes, comme le montre le graphique ci-dessous.

Conductivité thermique maximale et minimale des isolants fournies par les spécifications techniques européennes de l’EOTA (European Organisation for Technical Approvals), les déclarations volontaires de qualité ATG (Agréments Techniques de l’UBAtc – Union Belge pour l’agrément technique dans la construction) ou les certificats Keymark du CEN (Comité Européen de Normalisation), quels que soient l’application et les autres facteurs d’influence éventuels.

Données

 Pour connaitre les valeurs conductivité thermique d’autres matériaux : cliquez ici !

Coût des différents types d’isolant

Les coûts repris ci-dessous sont indicatifs des matériaux que l’on peut trouver facilement en Belgique en 2008. Il s’agit de tarifs moyens annoncés par quelques fournisseurs. En effet, les prix varient en fonction des quantités achetées.

Coût Unité Épaisseur

Polystyrène extrudé

 7 à 25 € /m² hTVA 40 à 120 mm

Polystyrène expansé

 5 à 15 € /m² hTVA 40 à 120 mm

Polyuréthane

 6.5 à 27.5 € /m² hTVA 40 à 120 mm

Laine de verre

 5 à 18 € /m² hTVA 40 à 180 mm

Laine de roche

 5 à 18 € /m² hTVA 40 à 180 mm

Verre cellulaire

 25 à 35 € /m² hTVA 40 à 60 mm

Perlite expansée pure

 0.1 à 0.2 € /l hTVA /

Vermiculite expansée pure

 0.1 à 0.2 € /l hTVA /

Argile expansé

 7 à 12 € /m² hTVA 10 mm

Panneaux fibre de bois

 7 à 24 € /m² hTVA 30 à 100 mm

Cellulose en vrac

 0.13 € /l hTVA /

Laine de cellulose en vrac

 0.25 € /l hTVA /

Laine de cellulose en panneaux

 7 à 25 € /m² hTVA 40 à 160 mm

Liège en vrac

 0.2 € /m² hTVA /

Liège en panneaux

 5 à 12 € /kg hTVA 20 à 80 mm

Liège en rouleaux

 5 à 15 € /m² hTVA 2 à 6 mm

Laine de chanvre

 5 à 30 € /m² hTVA 5 à 200 mm

Feutre de jute

 4.5 € /m² hTVA /

Laine de mouton

 0.7 à 1.2 € /kg hTVA /

Impact sur la santé

L’impact des isolants sur la santé est encore difficilement estimable. En effet, si l’effet d’un composé est aujourd’hui connu, l’effet de la combinaison de produits toxiques est plus compliqué à analyser.  De plus pour déterminer les impacts des polluants, il y a toujours lieu de prendre en compte simultanément les trois paramètres suivants :

  • temps d’exposition
  • intensité de la pollution
  • sensibilité de la personne

En ce qui concerne les isolants synthétiques, ils dégagent tout au long de leur durée de vie des produits gazeux dangereux, mais comme ils ne sont pas en contact direct avec l’ambiance, on estime que leur impact est limité. Une chose reste sûre, ils ont le défaut de dégager des fumées très toxiques en cas d’incendie !

Les isolants fibreux ne posent pas non plus de problème une fois qu’ils ont été posés. Mais il faudra être très vigilant lors de leur mise en place, car leur structure fibreuse peut dans certains cas provoquer des problèmes pulmonaires suite à l’inhalation de particules fines. Cela dépendra du type de fibre et leur bio-persistance.  Ils ont le grand avantage d’être peu ou non combustible de par leur nature et leur structure, ou suite à un traitement au sel de bore.

Author Image Posted By : Sylvie 7 Juin, 2013

Isolants minéraux

Isolants minéraux

On distingue généralement les laines minérales des isolants minéraux  à proprement dits.

Les laines d’origine minérale

La laine de roche (MW)

Photo laine de roche (MW).Photo laine de roche, détail.

Les fibres de la laine de roche sont obtenues par la fonte de la roche diabase. Elles sont liées à l’aide de résines synthétiques polymérisées pour former des rouleaux et des panneaux. Ceux-ci peuvent présenter différentes rigidités et finitions de surface. La laine de roche a une composition non uniforme (parties infibrées).

La laine de roche est totalement perméable à la vapeur d’eau, mais est non hygroscopique. Elle est non capillaire (n’absorbe pas l’eau). Elle est totalement perméable à l’air. Elle se caractérise par une bonne stabilité thermique, un bon comportement au feu. Elle est fort compressible et résiste mal au délaminage.

Les panneaux de laine de roche destinés aux toitures plates seront de densité importante (ρ= 150 à 175 kg/m³) et de fabrication particulière (sens des fibres) pour garantir une rigidité suffisante, et une résistance suffisante au délaminage. Ces panneaux sont surfacés de voile de verre et/ou de bitume.

La laine de verre (GW)

Photo laine de verre (GW).    Photo laine de verre, détail.

Les fibres de la laine de verre sont obtenues par la fonte de verre et de sable quartzeux. Elles sont traitées par un produit hydrofuge. Elles sont liées à l’aide d’un produit thermodurcissant pour former des rouleaux et des panneaux. Ceux-ci peuvent présenter différentes rigidités et finitions de surface. La laine de verre a une composition uniforme.

Tout comme la laine de roche, la laine de verre est totalement perméable à la vapeur d’eau, mais est non hygroscopique. Elle est non capillaire (n’absorbe pas l’eau). Elle est totalement perméable à l’air. Elle se caractérise par une bonne stabilité thermique, un comportement au feu légèrement moins bon que la laine de roche.

La laine de verre n’est plus utilisée pour les toitures plates à cause de sa faible résistance au délaminage et à la compression.

Les isolants minéraux

Le verre cellulaire (CG)

Photo verre cellulaire (CG).   Photo verre cellulaire, détail.

Le verre cellulaire est une mousse de verre obtenue par expansion de celui-ci lorsqu’il est en fusion. Les cellules ainsi formées contiennent un gaz inerte.

Son procédé de fabrication conduit à la production d’un isolant léger à cellules fermées. Le verre cellulaire est ainsi est complètement étanche à la vapeur d’eau, à l’eau et à l’air. Il se caractérise par une bonne stabilité thermique et un bon comportement au feu. Bien qu’incompressible, ce matériau est relativement fragile et nécessite un support régulier et rigide lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques.

Disponible en panneaux ou en gros granulés, son seul défaut, en plus de son coût élevé, est d’être produit par des procédés de fabrication très énergivore.

La perlite expansée (EPB)

Photo perlite expansée (EPB).

La perlite expansée est obtenue à partir de pierre volcanique rhyolitique concassée et expansée à une température de +/- 900°C.

La perlite expansée est mélangée à des fibres cellulosiques et à un liant bitumineux pour former des panneaux mais peut aussi être utilisée en vrac.

La perlite expansée se caractérise par une grande résistance à la compression et au poinçonnement, un bon comportement au feu et une résistance limitée au pelage. Elle ne résiste pas à une humidification prolongée.

La vermiculite

Photo vermiculite.
Granule de vermiculite grossi.
(doc. Agroverm).

La vermiculite est produite à partir de mica expansé. Elle est disponible sous forme de granulés ou de panneaux. Comme la perlite, ce matériau peut être déversé en vrac ou être incorporé dans les mortiers, bétons allégés, enduits isolants et dans les blocs de constructions.

L’argile expansée

Elle est vendue en vrac, en panneaux ou incorporée dans des bétons allégés, des blocs de construction préfabriqués.

L’argile expansée présente un excellent classement au feu et offre une bonne résistance à l’humidité.

Photo argile expansée. 

Granules d’argile expansée et Granule d’argile expansée grossie et coupée (doc. TBF).

Author Image Posted By : Sylvie 22 Avr, 2013

Gérer la ventilation des cabines et des gaines d’ascenseur

Gérer la ventilation des cabines et des gaines d’ascenseur

Niveau de ventilation à prévoir

Les cabines d’ascenseurs doivent garantir un apport d’air frais aux utilisateurs. Le seul moyen d’amener l’air hygiénique dans la cabine est de ventiler la gaine d’ascenseur. Les débits d’air sont difficiles à maîtriser sachant que les portes palières ne sont pas étanches, que l’effet cheminée est présent, que les déplacements de la cabine des ascenseurs circulant à une vitesse > 2 m/s perturbent l’aéraulique de la gaine… La seule chose qui soit certaine, c’est l’existence de déperditions thermiques, non négligeables, dues à cette ventilation hygiénique.

La ventilation, considérée comme hygiénique, est propre au volume occupé par les ascenseurs et ses locaux annexes, et ne doit pas servir à la ventilation des autres volumes. Pour assurer cette ventilation, la norme suggère de prévoir des orifices de ventilation pour la cabine, pour la gaine et pour le local des machines.

Cabine d’ascenseur

La directive ascenseurs 95/16/CE exige ceci : « Les cabines doivent être conçues et construites pour assurer une aération suffisante aux passagers, même en cas d’arrêt prolongé. » Annexe 1 chapitre 4.7).

Pour les cabines d’ascenseurs, les normes NBN EN 81-1 et 2 prévoient des orifices de ventilation équivalant à 1 % de la surface horizontale de la cabine (ventilation haute et basse).
Les interstices au niveau des portes de la cabine peuvent entrer, à concurrence de moitié, dans la surface de ventilation recommandée. Cette ventilation hygiénique ne doit pas nuire non plus au confort des utilisateurs dans la cabine sous forme de courant d’air, de différence de pression acoustique et/ou de bruit.

Gaine d’ascenseur

En ce qui concerne les gaines d’ascenseur, la norme NBN EN 81-1 recommande d’aménager en partie haute de la gaine des orifices de ventilation d’une surface minimale de 1 % de la section horizontale de la gaine.

La réglementation nationale en matière d’incendie est complémentaire et différencie deux cas pour la ventilation de la gaine :

  1. Si le compartiment ascenseur est doté d’une salle des machines, la section des orifices de ventilation est équivalente à 1 % de la surface horizontale de la gaine.
  2. Par contre, s’il n’y a pas de salle des machines (système « gearless« , par exemple), la section des orifices devient équivalente à 4 % de la surface horizontale de la gaine.

Les gaines d’ascenseur sont en général ventilées de manière naturelle. Par contre, les ascenseurs à gaines extérieures bénéficient d’une ventilation renforcée. En effet, ce sont souvent des ascenseurs panoramiques entièrement vitrés qui nécessitent, en été, d’être ventilés efficacement afin d’éviter les surchauffes (attention à la la consommation électrique des ventilateurs !).

Local des machines

En ce qui concerne la ventilation des salles des machines, elles doivent être ventilées convenablement afin que le moteur, l’appareillage ainsi que le câblage électrique, etc. soient aussi raisonnablement que possible à l’abri des poussières, des vapeurs nuisibles et de l’humidité.

Qu’elle soit au-dessus ou en-dessous de la gaine d’ascenseur, la motorisation constitue un apport interne de chaleur non négligeable.

Sur base des données d’un constructeur, le tableau ci-dessous donne une idée des déperditions de différents types de motorisation :

Type de motorisation Déperditions calorifiques [kW]
Hydraulique

4,5
Traction classique

3
Gearless + variateur de vitesse

1

Pour éviter la surchauffe dans la salle des machines, les apports internes doivent être évacués soit par la ventilation naturelle créée dans la gaine d’ascenseur et la salle des machines, soit par des extracteurs mécaniques. L’extraction forcée des apports internes vers l’extérieur constitue une perte thermique non-négligeable.

Exemple

Soit une salle des machines dont les dimensions sont de l’ordre de 15 [m²] au sol x 3 [m] de hauteur et équipée de 3 motorisations à traction pour des ascenseurs aux caractéristiques suivantes :

  • 630 kg,
  • 3 [kW] de déperditions thermiques.

En outre, on suppose que :

  • La température dans la gaine est en moyenne à 20 °C tout au long de l’année (la gaine est dans le volume chauffé) ;
  • La température de la salle des machines ne peut pas dépasser 27 °C (bon fonctionnement de l’électronique de régulation).
  • La capacité thermique volumique de l’air ρ c = 0,34 [Wh/m³K].

On calcule de manière simplifiée le débit qv nécessaire d’extraction pour maintenir la température de la salle des machines à 27 °C.

Soit :

qv [m³/h] = apports internes [W] / (0,34 [Wh/m³.K] x Δ t [K])

qv = 3 x 3 000 / (0,34 x (27 – 20))

qv  = 3 780 [m³/h]

ouverture d'une nouvelle fenêtre ! Suisse énergie a montré que, pour une configuration moyenne d’ascenseur, le débit de ventilation naturelle pouvait être évalué à 600 [m³/h].

En supposant que les configurations soient semblables, pour 3 ascenseurs identiques, on a 3 x 600 [m³/h] = 1 800 [m³/h] de ventilation naturelle vers le haut; ce qui signifie que le débit naturel n’est pas suffisant pour évacuer les calories produites par les apports des moteurs et qu’il faudra par moment faire appel à une ventilation mécanique (extracteur).

Contrôler le débit de ventilation de la gaine

Comme le montre une étude faite par ouverture d'une nouvelle fenêtre !Suisse énergie (mise en évidence des débits de ventilation dans les gaines d’ascenseur), le débit de ventilation d’une cage d’ascenseur de 12 [m] de haut d’un bâtiment de 4 étages, équipée de grilles de ventilation haute et basse de 1 225 [cm²] chacune, et dont les températures externes et internes étaient respectivement de 6 et 20 [°C], avoisinait les 600 [m³/h]; ce qui n’est pas négligeable. Toutefois, il est difficile d’évaluer les débits réels sachant que dans le projet :

  • l’orifice d’ouverture dans le pied de gaine d’ascenseur ne sera pas prévu,
  • les fuites au niveau des portes palières seront incontrôlables.

Évaluer

 Pour en savoir plus sur l’estimation des débits de ventilation dans les gaines d’ascenseur.

Néanmoins,  ces pertes peuvent être considérablement réduites en contrôlant le débit d’extraction naturelle au sommet de la gaine.

Pour ce faire, depuis septembre 2012, la législation belge (par l’Arrêté royal du 21 septembre 2012) reconnait une solution qui consiste à munir l’ouverture de ventilation de clapets motorisés gérés intelligemment.  Ceux-ci s’ouvrent automatiquement en cas :

  • de besoin de ventilation (lorsque les occupants utilisent l’ascenseur) ;
  • d’incendie ;
  • de défaillance de la source d’énergie.

Ils sont généralement aussi asservis à un thermostat d’ambiance pour réguler la température dans la gaine (et ce, notamment, afin de garantir le bon fonctionnement des dispositifs de commande et de régulation des ascenseurs (à voir avec le constructeur au niveau des températures de commande)). Une ouverture manuelle doit de plus être prévue pour le service d’incendie.

Il faudra de plus tenir compte :

  • des prescriptions en matière d’incendie (clapet coupe-feu) ;
  • des risques de condensation par le placement d’un calorifugeage au niveau des volets ;
  • des contraintes d’étanchéité à l’air à garantir (clapet étanche à l’air en position fermée).
Author Image Posted By : Sylvie 11 Avr, 2013

Codes flux [éclairage]

Codes flux [éclairage]

 

Les codes flux représentent l’image de la distribution lumineuse d’un luminaire.  Ils caractérisent le flux lumineux pour des angles solides matérialisés dans des cônes centrés sur l’axe principal du luminaire et d’angles d’ouverture α spécifiques.

Angles définissant les codes flux.

Les principaux codes flux sont :

  • FC1, FC2, FC3, FC4 et F pour les angles solides de π/2, π, ¾ π, 2 π et 4 π. Cela correspond aux angles  α de 41,4°, 60°, 75,5°, 90° et 180° respectivement ;
  • FC4, le flux lumineux émis dans l’angle solide 2 π ou l’ensemble du flux lumineux émis vers le bas ;
  • F, le flux lumineux émis dans l’angle solide 4 π ou le flux lumineux total émis par le luminaire ;
  • PHIS, le flux lumineux total issu de l’ensemble des lampes du luminaire.

Diagramme polaire.

Angles Correspondance des angles
Angle du cône 41, 4 ° 60° 75,5° 90° 180°
Angle solide ω /2 ¾ 2 4

 Codes flux CIE.

Exemple

Luminaire à
éclairage direct

Luminaire à
éclairage mixte direct
Données photométriques
Lumen [lm] Lumen [lm]
FC 1 2 535 FC 1 1 733
FC 2 3 730 FC 2 2 292
FC 3 3 755 FC 3 2 305
FC 4 3 760 FC 4 2 309
F 3 760 F 3 870
PHIS 5 000 PHIS 4 300
Code flux CIE
N 1 FC 1 / FC 4 0,67 N 1 FC 1 / FC 4 0,75
N 2 FC 2 / FC 4 0,99 N 2 FC 2 / FC 4 0,99
N 3 FC 3 / FC 4 1,00 N 3 FC 3 / FC 4 1,00
N 4  FC 4 / F 1,00 N 4 FC 4 / F 0,60
N 5 F / PHIS 0,75 N 5 N 5 0,90

 Remarques
Les données N2, N4 et N5 sont les données à introduire dans le logiciel PEB :

  • N2 représente la composante intensive du flux lumineux ;
  • N4 représente la composante directe du flux lumineux.

N5 représente le rapport entre le flux lumineux total F émis par le luminaire et le flux lumineux émis par toutes les lampes du luminaire, soit l’image du rendement du luminaire.

  • le flux lumineux émis vers le bas (FC 4 = 3 760 lm) est identique au flux lumineux total émis par le luminaire (F = 3 760 lm), ce qui est logique pour un luminaire à éclairage direct ;
  • N 5 = 75 %.
  • le flux lumineux total émis par le luminaire (F = 3 870 lm) est supérieur au flux lumineux émis vers le bas (FC 4 = 2 309 lm) ;
  • N 5 = 90 %.
Author Image Posted By : Sylvie 5 Avr, 2013

Réduire les apports de chaleur dus à l’éclairage

Réduire les apports de chaleur dus à l'éclairage

L’entièreté de l’énergie électrique consommée par l’éclairage artificiel est dissipée sous forme de chaleur dans l’ambiance intérieure, par rayonnement, convection ou conduction. De plus, dans les bâtiments thermiquement performants, les lampes qui émettent beaucoup d’infrarouge (IR), indépendamment des surconsommations électriques qu’elles engendrent, participent souvent aux risques de surchauffe.

Calculs

Pour établir le bilan thermique d’un local et évaluer l’impact de l’éclairage sur la surchauffe.

La puissance installée

La puissance calorifique dégagée par l’éclairage équivaut à la puissance des lampes installées. Pour les lampes fluorescentes, il faudra également tenir compte des pertes des ballasts qui varient de 10 à 20 % de la puissance de la lampe.

Schéma puissance installée.

Le type de lampe

Toute l’énergie consommée par les lampes est transformée en chaleur par :

  • conduction (« par les solides »),
  • convection (« par les gaz, les liquides »),
  • rayonnement (lumière et autres radiations, infrarouge en particulier).

En fonction de la famille de lampes considérée, la répartition de ces divers apports sera différente. Il est essentiel de tenir compte de cette répartition pour éviter des élévations de température trop importantes.

Deux caractéristiques permettent de choisir correctement le type de lampe à utiliser :

  • le rendement des lampes : fraction de la quantité d’énergie transformée en lumière. Augmenté l’efficacité du système permet de limiter la puissance installée, et donc les apports de chaleurs.
  • la composition du spectre d’émission : on choisira des lampes dont le spectre comporte une faible proportion d’énergie thermique infrarouge par rapport à la fraction utile d’énergie lumineuse.

Pour éviter un apport calorifique trop important, on réalisera le système d’éclairage à partir de  tubes fluorescents.

Lampes à incandescence

Ces lampes émettent un rayonnement infrarouge important (de l’ordre de 75 % de la puissance de la lampe). Comme les infrarouges et les rayons lumineux se réfléchissent en même temps, les lampes à réflecteur et les projecteurs intensifs vont provoquer des élévations de température très importantes dans l’axe du faisceau.

Les lampes à rayonnement dirigé dites à « faisceau froid » ou dichroïque » limitent le rayonnement infrarouge direct. Le miroir de ces lampes conçu pour réfléchir la lumière, est transparent pour les radiations infrarouges indésirables. Lorsque l’on utilise ce genre de lampe, il faut s’assurer que le luminaire utilisé est susceptible de les recevoir car, sans précaution, elles provoquent un échauffement supplémentaire de la douille, du câblage et de la partie arrière du luminaire.

Le dégagement de rayonnement infrarouge de ce type de lampe en fait une source lumineuse peu efficace et justifie son retrait progressif du marché.

Lampes fluorescentes et lampes à décharge (haute pression)

Ces lampes émettent une très faible proportion de rayons infrarouges courts. Par contre, les tubes à décharge des halogénures métalliques et des sodiums haute pression émettent une quantité importante d’infrarouge moyen. En ce qui concerne les lampes fluorescentes, on ne fera attention qu’aux niveaux d’éclairement très élevés qui sont les seuls à produire un effet thermique direct perceptible.

Si l’effet calorifique du rayonnement de ces lampes est relativement faible, la transformation en chaleur de l’énergie électrique consommée (lampe et ballast)  ne doit pas être sous-estimée. L’élévation de la température des parois du luminaire vont transformer celui-ci en émetteur d’infrarouges longs susceptibles d’influencer la distribution thermique du local et/ou du meuble frigorifique.

LED

Les LED ne génèrent pas ou peu de rayonnement infrarouge (IR) ou ultraviolet (UV) dans le flux lumineux. Il est clair qu’elles génèrent de la chaleur, mais plutôt vers l’arrière de la lampe LED, ce qui facilite l’extraction. De ce fait, elles sont très intéressantes dans les musées ou dans les magasins de denrées alimentaires où des températures basses sont nécessaires.

Schéma chaleur dégagée par les LED.

Bilan énergétique de quelques lampes

Le tableau suivant donne les bilans énergétiques de quelques types de lampes.

Bilans énergétiques de quelques lampes (d’après C. Meyer et H. Nienhuis)

Type de lampe

Conduction et convection [%]

Rayonnement [%]

Rayonnement lumineux [%]

Puissance à installer par 100 lm [W]

UV

IR

Incandescentes 100 W

15

75

10

10

Fluorescentes rectilignes

71.5

0.5

(1)

28

1.4

Fluorescente compactes

80

0.5

(1)

19.5

1.8

Halogénures métalliques

50

1.5

24.5

24

1.3

Sodium haute pression

44

25

31

1

(1) Dans le cas de lampes fluorescentes dont la surface développée est importante, on pourrait séparer le rayonnement infrarouge (long). Pour les lampes fluocompactes cette distinction est inutile.

Exemple.

Par exemple si 2500 lm doivent être fournis, les bilans énergétiques des différentes installations deviennent :

Type de lampe

Conduction et convection [W]

Rayonnement [W]

Rayonnement lumineux [W]

UV

IR

Incandescentes 100 W

37.5

187.5

25

Fluorescentes rectilignes

25.025

0.
175

(1)

9.8

Fluorescente compactes

36

0.225

(1)

8.775

Halogénures métalliques

16.25

0.487

7.962

7.8

Sodium haute pression

12.1

6.875

8.525
(1) Dans le cas de lampes fluorescentes dont la surface développée est importante, on pourrait séparer le rayonnement infrarouge (long). Pour les lampes fluocompactes cette distinction est inutile.

Cet exemple montre bien l’intérêt d’utiliser des lampes à décharge. Leur faible coût d’achat, leur longue durée de vie, leur bon indice de rendu des couleurs font des lampes fluorescentes le choix le plus adapté.

Influence de l’inertie du local

Schéma influence de l'inertie du local.

L’inertie thermique du local permettra d’accumuler une partie de la chaleur instantanée dégagée par les luminaires. Cet impact est cependant faible (environ 10 % de réduction pour un local à forte inertie) et se fera principalement ressentir pour les lampes à incandescence (90 % de leur chaleur est dissipée par rayonnement).

Influence du type de plafond

Schéma influence du type de plafond - 01.

Des hauteurs sous plafond importantes diminuent également l’impact des luminaires grâce à la stratification des températures dans le local (l’air chaud s’accumule en dehors de la zone d’activité). Ce phénomène se fait principalement ressentir (jusqu’à 20 % de réduction) pour les lampes fluorescentes (60 % de leur chaleur est dissipée par convection) et lorsqu’une extraction d’air est organisée en plafond.

Schéma influence du type de plafond - 02.

Un phénomène semblable se fait ressentir lorsque les luminaires sont encastrés dans des faux plafonds servant de plénum de reprise pour la ventilation. Une partie de la chaleur émise est alors évacuée avant qu’elle puisse contribuer à la surchauffe du local.

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.

Author Image Posted By : Sylvie 2 Avr, 2013

Choisir la gestion et la commande

Critères de choix

Au niveau énergétique, un projet de conception ou de rénovation importante de l’éclairage doit tenir compte :

  • De la sensibilisation à l’URE et de l’ergonomie ;
  • Du profil d’occupation des locaux et de l’évolution possible de ce profil au cours du temps ;
  • De l’apport de lumière naturelle ;
  • De la performance thermique de l’enveloppe du bâtiment et de lier le confort visuel au confort thermique ;
  • De la taille du ou des bâtiments constituant le parc immobilier. ;

Quels que soient les critères de choix du système,  sa configuration de base ne change pas. On a toujours besoin :

  • De câble d’alimentation ;
  • De luminaires ;
  • D’organes d’allumage et d’extinction des luminaires ;
  • D’organes de gestion.

Le développement de l’électronique et l’apparition de « l’immotique » dans les bâtiments tertiaires a permis de repenser la gestion des systèmes d’éclairage en tenant compte, à confort visuel optimal,  de l’énergie. L’acceptation de l’immotique par les occupants des locaux est souvent délicate sachant qu’en général, ils sont d’une part réfractaires au changement et d’autre part ils n’ont plus nécessairement la maîtrise du système.

Un système d’éclairage performant tenant compte de l’occupation et de la lumière naturelle permet de réduire sensiblement les consommations électriques. C’est d’autant plus vrai dans la conception de bâtiment à basse voire très basse énergie, car la part de consommation énergétique que prend l’éclairage devient très importante.

Sensibilité à l’URE et ergonomie

Sensibilité

La sensibilisation à l’URE (Utilisation Rationnelle de l’Énergie) et l’ergonomie influencent particulièrement le choix de la gestion de l’éclairage. Lorsque les occupants des locaux ont la « fibre énergétique », la gestion de l’éclairage peut être simple par le choix d’une gestion manuelle classique.

Elle est envisageable dans des espaces privés. Par contre, pour une gestion dans des espaces privés locatifs ou publics, on fera appel à de l’équipement automatique. En effet, dans ce type d’espace, il règne en général un esprit de déresponsabilisation des occupants qui sont « de passage ».

Exemple

Le choix d’une gestion de l’éclairage par un interrupteur à deux allumages pour réaliser un zonage dans un local de taille importante ne devrait pas poser un gros problème.

Ergonomie

Malgré une sensibilité avérée des occupants d’espace, l’ergonomie représente un facteur limitatif  au choix d’une gestion simple.

Exemple

« On connait tous l’inconvénient de gérer un groupe de  luminaires proche de la fenêtre par une gestion de type interrupteur simple. Notre cher climat en Belgique n’épargne pas notre patience ! ».

Lorsque le soleil joue à « cache-cache » avec la couche nuageuse, les variations de niveau d’éclairement voudraient que l’occupant éteigne et rallume les luminaires du côté de la fenêtre pour réduire la facture énergétique. Le gestionnaire risque de devoir dépenser les économies générées au profit des « psy d’entreprise ».

Arbitrage

Mise en garde : « un système de gestion automatique de l’éclairage ne fonctionne que s’il est parfaitement accepté par les occupants. L’imagination de ceux-ci est incroyable quand il s’agit de contrarier un système automatique ! Celui-ci doit donc être soit imperceptible, soit compris et accepté par les occupants ».

On conseille souvent de ne pas pousser trop loin la recherche d’économies au détriment de la liberté des utilisateurs et de la simplicité de la gestion. Dans les locaux de bureau, par exemple, les occupants doivent pouvoir allumer ou éteindre un luminaire, faire varier la puissance émise par un luminaire ou personnaliser leur ambiance de travail. Des solutions existent comme les dérogations manuelles sous forme de télécommande IR (Infrarouge) ou RF (Radio Fréquence).

Ainsi, dans les grands bureaux, il faut dans la mesure du possible donner la possibilité aux occupants de gérer l’éclairage au niveau de leur propre espace de travail.

L’utilisateur pourra être sensibilisé :

  • à la non-utilisation de l’éclairage artificiel général si l’éclairage naturel est suffisant,
  • à extinction de l’éclairage d’un local lorsqu’il quitte celui-ci.

Des exemples de gestions manuelles et automatiques

Exemple 1 : local à occupation brève et variable

Dans des locaux de type privés comme des locaux d’archives, techniques, …, une gestion manuelle  comme un interrupteur simple avec témoin lumineux est la solution. A l’inverse, les locaux comme les sanitaires et WC privés ou public seront équipés d’une détection de présence (avec éventuellement détection sonore) dans le blochet près de la porte.


Gestion manuelle.


Gestion automatique.

Calculs

 Pour avoir une idée de la rentabilité d’un tel changement.!
Exemple 2 : local à occupation prolongée et à apport de lumière naturelle

Lorsque les occupants sont sensibilisés, on pourrait envisager un interrupteur à 2 allumages pour allumer/éteindre distinctement la rangée de luminaires côté fenêtre de celle côté couloir. Ceci dit, pour des variations importantes et aléatoires de l’éclairage naturel, une gestion semi-automatique par allumage volontaire à partir d’un bouton-poussoir et extinction par détection d’absence  sera préférée. À noter que la tête de détection intègre une sonde de luminosité.

Attention : s’il s’agit de lampes fluorescentes, il faudra équiper les luminaires de ballasts électroniques dimmables. S’il s’agit de LEDS, il faut prévoir des drivers dimmables.


Gestion manuelle par interrupteur à 2 allumages.

 
Gestion semi-automatique.

Calculs 

 Pour avoir une idée de la rentabilité d’un tel changement.
Exemple 3 : locaux à occupation intermittente programmée

Dans les couloirs occupés de jour comme de nuit (couloir d’hospitalisation par exemple), pour les motivés par l’énergie, le placement d’une gestion manuelle comme un inverseur est une solution.

Si l’on veut s’orienter vers une gestion automatique, le placement d’une horloge centrale dans le tableau divisionnaire peut être envisagé.


Commande centrale manuelle (inverseur).


Gestion automatique du basculement de l’éclairage jour/nuit par horloge.

Taille et proportions des locaux

La taille et la proportion d’un local influencent aussi le choix de la gestion de l’éclairage. Dans les locaux de grande taille, le zonage est l’approche énergétique par excellence. En effet, il est avantageux de créer des zones bien distinctes dans :

  • Les salles de  sport de manière à ne pas éclairer les aires de jeux non occupées ;
  • Les couloirs afin d’éviter de l’éclairer sur toute sa longueur lorsqu’un occupant sort, par exemple de son bureau pour aller dans le bureau voisin sans traverser tout le couloir ;
  •  …
Exemple de zonage pour une salle de sport

Dans une salle omnisports, il est inutile d’éclairer toute la salle alors qu’un seul terrain est occupé. Il est important de prévoir un zonage, c’est-à-dire une commande séparée pour les différents terrains de la salle.

Les lignes de jeux s’entremêlent.

   

Il existe donc plusieurs manières de regrouper les luminaires qui seront commandés en une seule fois. On analysera donc chaque cas, en tenant compte de :

  • l’emplacement des lignes de jeux,
  • la fréquence d’occupation des différents terrains,
  • la possibilité d’emplacement des différentes commandes.

Voici un exemple possible de zonage :

Profils d’occupation

Les profils d’occupation des bâtiments tertiaires et de leurs locaux sont assez différents suivant l’usage (bureaux, sanitaires, classes, chambres d’hôpital, …). Le choix de la gestion de l’occupation varie surtout en fonction de la sensibilité des occupants à l’énergie, des coûts du système d’éclairage, …

Il existe sur le marché une multitude d’équipements pour gérer l’occupation des locaux. On pointera principalement :

Le choix entre ces différents équipements de gestion d’occupation est complexe. Indépendamment de la sensibilité des occupants à la gestion responsable de l’éclairage par rapport à l’énergie, ce choix doit s’opérer en fonction des fréquences d’occupation des locaux.

Voici quelques exemples de locaux que l’on rencontre régulièrement dans les bâtiments tertiaires (liste non exhaustive) :

Dans les locaux à temps d’occupation important

D’emblée, on ne conçoit pas qu’un local à temps d’occupation important soit sans baie vitrée.

L’occupation des bureaux, classes de cours, … peut-être avantageusement gérée par des boutons poussoirs d’allumage volontaire des luminaires et des détecteurs d’absence lorsqu’après un certain temps les locaux ne sont plus occupés. Cette gestion est très efficace et responsabilise souvent les occupants. En effet, en entrant dans le local, l’occupant juge si le niveau d’éclairement est  suffisant ou pas pour travailler. S’il le juge insuffisant, il peut donner une impulsion au bouton-poussoir qui allume les luminaires. Les boutons poussoirs modernes sont équipés d’un module électronique qui permet :

  • D’allumer par une première impulsion brève ;
  • D’éteindre par une nouvelle impulsion brève ;
  • A chaque impulsion prolongée, de dimmer vers plus ou moins de flux lumineux.

Dans les locaux à temps d’occupation court

Fréquentation importante : les circulations, …

Le passage fréquent, mais court en temps des locaux de circulation (couloirs, escaliers, local photocopieuse, sanitaire, …)  pourrait être géré par des simples détecteurs de mouvement. Cette technique permet de choisir des luminaires avec le détecteur de mouvement incorporé ce qui réduit fortement les longueurs des câbles d’alimentation  230 V et de commande  basse tension. La gestion de type « ancienne génération » par boutons-poussoirs et minuteries est toujours valable, mais nécessite de grandes longueurs de câbles. Au prix du kg de cuivre, le surcoût de l’électronique de gestion peut se justifier pleinement en faveur des nouvelles technologies. A remarquer que dans les circulations, le choix d’un luminaire supportant de nombreux allumages et extinctions sera primordial. On pense de plus en plus aux luminaires LED qui, théoriquement, supportent un « nombre infini » de commandes.

De plus en plus de sanitaires sont avantageusement équipés de détecteurs de mouvement et sonores. Ce type d’équipement permet de ne placer qu’un seul détecteur dans le sanitaire commun. Dans les WC, le simple fait de générer du bruit (peu importante la « source sonore »), réactive le détecteur qui évite à l’occupant du WC d’être plongé dans le noir avec toutes sortes de conséquences désagréables.

Fréquentation faible : locaux techniques, …

On pense aux locaux techniques, aux archives, aux « kots à balais », … Dans ce type de local, les interrupteurs classiques avec témoins d’allumage feront généralement « l’affaire ».

Apport d’éclairage naturel

Une gestion du flux lumineux en fonction de l’apport en éclairage naturel peut s’appliquer aux locaux éclairés naturellement lorsque le temps d’occupation journalière est important. En effet, lorsque les locaux sont utilisés de façon intermittente ou peu vitrés, le temps de valorisation de l’éclairage naturel se réduit, la rentabilité des systèmes de variation du flux lumineux aussi.

Parmi les systèmes de gestion existants, il faut privilégier ceux qui modifient les caractéristiques de flux lumineux de façon imperceptible pour les occupants, c’est-à-dire le dimming en fonction d’un capteur intérieur.

Cependant, n’excluons pas trop vite la bonne volonté des occupants en prévoyant un double allumage qui différencie la commande des luminaires côté fenêtre et côté intérieur.

Allumage différencié

Simplement, un des interrupteurs commande le luminaire côté fenêtre et l’autre le luminaire côté couloir. Ce système est basique et nécessite une certaine sensibilité à l’énergie des occupants. Dans notre chère Belgique, par temps d’alternance de nuage et de soleil, on comprend la limite de ce type de gestion.

Gestion par sonde de luminosité

À ce stade, le choix peut se porter sur des solutions simples, mais locales ou des solutions plus complexes et centrales (plus coûteuses aussi, c’est vrai !).

On pointera principalement le choix entre les sondes de luminosité intégrées :

  • au luminaire même ;
  • à la tête de détection de présence.

Dans le cas de la sonde de luminosité intégrée à la tête de détection de présence, le « dimming » du niveau d’éclairage des luminaires pourra être local ou central.

Dans le cas de l’usage de sonde de luminosité, il faudra prévoir un système d’horloge ou de détecteur pour éviter que la lumière reste allumée. (Si les lampes sont dimmées, l’occupant risque d’oublier d’éteindre en quittant le local (surtout en été)).

Gestion locale

La gestion locale gère directement les luminaires à partir d’un détecteur d’absence/présence équipé d’une sonde de luminosité par exemple.

Gestion centrale

La gestion centrale gère les luminaires par des modules 0-10V ou DALI (module sur rail DIN dans le tableau divisionnaire) via un bus de communication de type KNX.

 

En fonction des équipements de gestion de l’éclairage naturel, la flexibilité de reconversion des locaux est plus ou moins grande. Il est clair que le choix d’une gestion au travers d’un bus de communication offre plus de liberté d’adaptation de l’éclairage en cas de changement d’affectation des locaux.

Cette réflexion est tout à fait gratuite, mais c’est à voir au cas par cas !

Rentabilité d’un dimming

La rentabilité du système choisi dépendra de plusieurs facteurs décrits ci-dessous :

Orientation et environnement des locaux

Dimensions du local
l x L		 Surface de fenêtres
m²		 Orientation Économie
Zone fenêtre Zone centrale Moyenne
3,6 x 5,4 6 NO 33 % 18 % 26 %
5,5 x 5,5 12 S et O 36 % 33 % 34 %
4,0 x 5,5 4 O 29 % 22 % 26 %
3,0 x 3,6 2,4 E 30 % 8 % 19 %
3,6 x 5,4 3,3 O 29 % 16 % 22 %
3,6 x 5,0 4,5 O 41 % 19 % 30 %

Identique au cas précédent, mais utilisateurs différent.

 43 % 31 % 37 %

Mesures réelles de l’économie apportée par un dimming individuel des luminaires  par rapport à un fonctionnement à pleine puissance avec des ballasts électroniques non dimmables (fourniture de 500 lux sur le plan de travail), source : TNO.

L’environnement extérieur des façades influence fortement la rentabilité. Par exemple, si une façade est masquée par un autre bâtiment (rue étroite), les apports en éclairage naturel dans les premiers étages risquent d’être trop faibles pour justifier une gestion automatique, mais suffisante pour les étages supérieurs.

D’une manière générale une économie de 30 % est un chiffre que l’on peut considérer comme raisonnable pour le dimming complet d’un bureau.

Puissance totale gérée par une unité de commande

Le coût du système de gestion dépend en partie du coût de l’unité de commande (capteur, interface). Plus celui-ci est élevé, plus la puissance électrique totale commandée par un système devra être importante pour assurer une rentabilité suffisante.

Exemple.

Dans le cas d’une gestion indépendante de chaque luminaire, plus la puissance des lampes commandées par un ballast est faible, plus le coût d’investissement est important par rapport à l’économie escomptée : gérer une lampe de 36 W avec 1 ballast coûtera environ 3,25 € par watt commandé, tandis que gérer deux lampes de 58 W avec 1 ballast coûtera environ 1 € par watt.

De la présence d’une climatisation

La diminution de la puissance de l’éclairage en fonction de l’apparition du soleil permet de diminuer les coûts éventuels d’une climatisation ou de limiter les surchauffes.

Calculs

 Pour estimer la rentabilité d’un système de gestion en fonction de votre situation.

Performance thermique du bâtiment

Mais que vient faire la performance thermique dans une histoire qui concerne l’éclairage ?
Tout simplement parce que dans un bâtiment performance thermiquement (à basse ou très basse énergie), la gestion de l’apport en éclairage naturel va de pair avec la gestion de la surchauffe au travers des baies vitrées par des stores. En effet, un savant compromis est nécessaire entre :

  • D’une part, le besoin de maximiser les apports de lumière naturelle afin d’optimiser le confort visuel et de réduire la facture énergétique d’électricité ;

 

  • D’autre part, la nécessité de maîtriser les apports solaires sources de surchauffe dans un bâtiment performant. Notons que le risque de surchauffe est intimement et principalement lié à l’orientation des baies vitrées.

Gestion de store

La gestion des stores et du niveau d’éclairement doivent donc être maîtrisés de concert. Pour y parvenir, le choix d’un système centralisé simplifie fortement cette gestion.
Un mode de gestion intéressant des stores est repris ci-dessous :

  • Gestion de la position des stores au travers du bus KNX en fonction des paramètres donnés par la station météo.

 

  • Le bouton-poussoir « store » de dérogation manuelle permet à l’occupant de garder la maîtrise de la position du store.

 

  • Le détecteur d’absence permet de « rendre la main » au système de gestion automatique lorsque l’occupant s’absente pour un temps donné.

Gestion HVAC

Gestion de la ventilation

Dans les bâtiments performants, le besoin d’échange de paramètres de commande ou de régulation entre les systèmes d’éclairage et HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning)  est nécessaire.

La détection de présence dans une salle de réunion peut faire évoluer le taux de renouvellement d’air de zéro à 100 % (ON/OFF ou modulant) par la gestion de l’ouverture d’une boîte VAV. Pour ne pas démultiplier le nombre d’équipements de détection de présence, l’auteur de projet pourra rationaliser son choix de détecteur de présence. C’est d’autant plus vrai que les détecteurs de présence modernes offrent les fonctions suivantes :

  • Canal de commande en présence ou absence ainsi que du niveau d’éclairement des luminaires ;
  • Canal de commande en présence ou absence d’équipement HVAC.

Gestion des températures

Une sonde de température peut être couplée avec le bus KNX lorsque le bâtiment est inoccupé afin de gérer le store :

  • Abaissement du store en cas de canicule lorsque les températures intérieure et extérieure dépassent une certaine valeur ;
  • Relèvement du store en cas de grand froid et d’ensoleillement important ; ce qui permet de valoriser les apports solaires lorsque la température interne est en dessous de sa consigne.

Gestion du store en cas de canicule.

Gestion du store en cas d’apports solaires nécessaires importants.

Taille des bâtiments ou importance du parc immobilier

La taille du ou des bâtiments, la présence de plusieurs bâtiments sur un site, … influencera nécessairement le besoin de centralisation ou pas des gestions d’éclairage. On comprend aisément qu’un gestionnaire technique d’un parc important de bâtiments ait un besoin de supervision au travers d’une gestion technique centralisée (GTC). Ce genre d’installation passe impérativement par la mise en place d’un bus de communication.

Pour des bâtiments de petite taille, la centralisation n’est pas une fin en soi. On peut très bien avoir des systèmes d’éclairage performants énergétiquement parlant sans « sophistiquer » le système d’éclairage.
Voyons les deux configurations d’un système d’éclairage :

Système local

Dans les bâtiments de petite taille, envisager une GTC (gestion technique centralisée) n’est pas vraiment nécessaire.

Des solutions de gestion de l’éclairage et des stores (ou même HVAC) peuvent être envisagées avec un certain degré « d’immotisation » tout en restant dans la simplicité. Dans cette configuration, la gestion locale de l’éclairage est propre à chaque local. Dans un bâtiment simple, de petite taille et ne nécessitant pas beaucoup de souplesse d’aménagement des espaces, une gestion sophistiquée n’est pas nécessaire. De plus, la mise en place de ce type de gestion est relativement peu coûteuse.

Un bémol cependant (« eh oui, on ne peut pas gagner sur tous les fronts ! ») réside dans le manque de flexibilité de cette configuration. En effet, lorsque les espaces doivent être transformés (changement d’activité, d’usage, …), il est inévitable que l’installation d’éclairage doive être partiellement ou entièrement recâblée.

Système central

Dans des bâtiments plus complexes, plus grands ou encore dans des parcs immobiliers importants, le gestionnaire aura à disposition toute une palette de centralisation de la gestion de l’éclairage à l’échelle :

  • d’un étage d’immeuble ;
  • du bâtiment ;
  • d’un parc immobilier.

La gestion centrale nécessite à coup sûr de passer par un ou plusieurs de bus de communication avec, par exemple, les protocoles suivants:

  • DALI spécifiquement pour l’éclairage ;
  • KNX pour l’éclairage et /ou  le HVAC ;
  • TCP/IP pour la supervision.

La supervision ou GTC (gestion technique centralisée), permettra d’avoir une vue d’ensemble  de tous les paramètres de gestion de l’éclairage et, par la même occasion des autres systèmes (HVAC ou autres).

« Alors cerise sur le gâteau ou outil indispensable ? »

Ces systèmes sont naturellement plus onéreux que les systèmes locaux et donc l’incidence budgétaire sera étudiée au cas par cas. Cependant, une configuration centralisée, avec une vision énergétique par rapport au profil d’occupation, permet de réduire de manière importante les coûts de maintenance des locaux ainsi que les coûts de transformation (on ne doit pas systématiquement recâbler la gestion puisque le bus de communication est modulable) et, par après, d’adapter facilement la gestion suivant le nouveau profil d’occupation.

Organigramme de gestion

Voici un organigramme d’aide dans le choix de la gestion et de la commande de l’éclairage intérieur. Ces systèmes peuvent être intégrés dans une gestion centralisée, qui par son coût de câblage ne peut être envisagée que dans des bâtiments neufs ou des rénovations de grande ampleur.

1 Exemple : bureau paysager, classe, salle de réunion avec cloison amovible, salle de sport à plusieurs plateaux, … avec fenêtres orientées au nord

MINIMUM Zonage :

  • 1 zone = rangée de luminaires proches de la fenêtre,
  • 1 zone = autres rangées de luminaires,
  • 1 zone = éclairage point particulier (tableau de classe ou de salle de réunion, « table de réunion », …)
MINIMUM Interrupteur manuel on/off pour chaque zone.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence par zone avec délai réglable.

Il s’avérera peu rentable dans le seul cas d’occupants « disciplinés » éteignant systématiquement les lampes en fin de journée. Cette gestion nécessite que les boutons poussoirs et les détecteurs « se parlent ». Elle peut être locale (l’intelligence est dans la tête de détection) ou centrale (régulateur dans un tableau divisionnaire ou GTC centrale pour les grands bâtiments tertiaires).
CONSEILLE La gestion en fonction de l’éclairage naturel se fera au moyen d’une ou plusieurs sondes de luminosité agissant sur un ou plusieurs ballasts électroniques dimmables (0-10V ou DALI). La ou les sondes de luminosité seront intégrées dans le ou les luminaires ou encore dans la ou les têtes de détection d’absence/présence

2 Exemple : bureau paysager, classe, salle de réunion avec cloison amovible, salle de sport à plusieurs plateaux, … avec autres orientations que les fenêtres au nord

MINIMUM Zonage :

  • 1 zone = rangée de luminaires proches de la fenêtre,
  • 1 zone = autres rangées de luminaires,
  • 1 zone = éclairage point particulier (tableau de classe ou de salle de réunion, « table de réunion », …)
MINIMUM Interrupteur manuel on/off pour chaque zone.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence par zone avec délai réglable.
CONSEILLE La gestion en fonction de l’éclairage naturel se fera au moyen d’une ou plusieurs sondes de luminosité agissant sur un ou plusieurs ballasts électroniques dimmables (0-10V ou DALI). La ou les sondes de luminosité seront intégrées dans le ou les luminaires ou encore dans la ou les têtes de détection d’absence/présence.

3 Exemple : salle de réunion à cloison amovible et salle de sport sans fenêtre

MINIMUM Zonage : autant de zone qu’il y a d’espaces ou de plateaux distincts identifiables.
MINIMUM Interrupteur manuel on/off pour chaque zone.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence par zone avec délai réglable.

4 Exemple : locaux techniques, archives, …

MINIMUM Zonage : autant de zone qu’il y a d’espaces ou de plateaux distincts identifiables.
MINIMUM Interrupteur manuel on/off pour chaque zone.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence par zone avec délai réglable.

5 Exemple : Couloir, cage d’escalier, … avec baie vitrée

MINIMUM Zonage :

  • Par une ou plusieurs portions de couloir ;
  • Par un ou deux étages.
MINIMUM Boutons poussoirs commandant  un télérupteur de tableau avec minuterie d’extinction par zone
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence par zone avec délai réglable.

Alternative 1 :

  • Détecteur de mouvement  par étage pour les escaliers qui commande les luminaires de palier et des demi-étages directement supérieur et inférieur au palier considéré ;
  • Détecteur de mouvement par zone de couloir qui ne commande que les luminaires proches de sa couverture.

Alternative 2 :

  • détecteur de mouvement intégré au luminaire. « D’expérience, c’est une très bonne solution ! ».
CONSEILLE La gestion en fonction de l’éclairage naturel se fera au moyen d’une ou plusieurs sondes de luminosité agissant sur un ou plusieurs ballasts électroniques dimmables (0-10V ou DALI). La ou les sondes de luminosité seront intégrées dans le ou les luminaires ou encore dans une ou des têtes de détection de présence.

6 Exemple : Couloir, cage d’escalier, … sans baie vitrée

MINIMUM Zonage :

  • Par une ou plusieurs portions de couloir ;
  • Par un ou deux étages.
MINIMUM Boutons poussoirs commandant  un télérupteur de tableau avec minuterie d’extinction par zone.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence par zone avec délai réglable.

Alternative 1 :

  • Détecteur de mouvement  par étage pour les escaliers qui commande les luminaires de palier et des demi-étages directement supérieur et inférieur au palier considéré ;
  • Détecteur de mouvement par zone de couloir qui ne commande que les luminaires proches de sa couverture.

Alternative 2 :

  • détecteur de mouvement intégré au luminaire. « D’expérience, c’est une très bonne solution ! ».

7 Exemple : bureau individuel, petite classe, salle de réunion, salle de sport à un seul plateau, … avec fenêtres orientées au nord

MINIMUM Interrupteur manuel on/off.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence avec délai réglable.
CONSEILLE La gestion en fonction de l’éclairage naturel se fera au moyen d’une ou plusieurs sondes de luminosité agissant sur un ou plusieurs ballasts électroniques dimmables (0-10V ou DALI). La ou les sondes de luminosité seront intégrées dans le ou les luminaires ou encore dans la ou les têtes de détection d’absence/présence.

8 Exemple : bureau individuel, classe, salle de réunion, salle de sport à un seul plateau, … avec autres orientations que les fenêtres au nord

MINIMUM Interrupteur manuel on/off.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion :

  • Bouton poussoir d’allumage/extinction volontaire des luminaires par zone ;
  • Un détecteur d’absence avec délai réglable.
CONSEILLE La gestion en fonction de l’éclairage naturel se fera au moyen d’une sonde de luminosité agissant sur un ou plusieurs ballasts électroniques dimmables(0-10V ou DALI). La sonde de luminosité sera intégrée dans un des luminaires et sera maître pour la gestion des autres luminaires. Ou encore, elle intégrera la tête de détection d’absence/présence.

9 Exemple : locaux techniques, archives, …

MINIMUM Interrupteur manuel on/off.

10 Exemple : sanitaire et WC

MINIMUM Interrupteur manuel on/off.
CONSEILLE Il sera intéressant de prévoir une gestion par zone de type :

  • Un détecteur de mouvement et éventuellement sonore avec délai réglable.

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