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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.

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.

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

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

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.

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.

Posted By : 25 Sep, 2007

Adapter la consigne de température de l’air ambiant

En hiver

La consigne de température résulte d’un compromis entre confort optimum et consommation minimale ! Chaque degré épargné sur la saison de chauffe entraîne une diminution de 8 % (minimum) de la facture chauffage du bâtiment. Mais le confort doit être atteint.
En hiver, dans les bureaux, une température opérative de 20°C est requise. Puisque celle-ci est donnée par :

T°_opérative= (T°_air+ T°_parois) / 2 (NBN X 10-005)

On adoptera une température de l’air de 21°C pour une température moyenne des parois de 19°C (RGPT).
Ou de 20,5°C pour une température moyenne des parois de 19,5°…

Évaluer

Pour évaluer le confort thermique

Pour respecter le confort thermique des occupants :

La température de consigne doit être adaptée au bâtiment (par exemple, avec des châssis à simple vitrage la température de l’air devra être plus élevée).
La température de l’air peut être relevée le lundi matin pour compenser les parois refroidies par le week-end.
La température de l’air peut être relevée en plein hiver pour compenser l’effet des parois froides.

Autrement dit, si l’on souhaite promouvoir la préservation des énergies

Dans un bâtiment bien isolé (c’est généralement le cas des bâtiments climatisés), on peut se permettre de diminuer la température de l’air, jusqu’à approcher des 20°C (voire moins si chauffage par rayonnement).
La température de l’air peut être diminuée dès le mardi puisque les parois sont chaudes.
La température de l’air peut être abaissée en mi-saison sans risque d’inconfort.

Les régulations numériques d’aujourd’hui permettent d’automatiser ce genre de gymnastique !

En été

C’est souvent la rentabilité du travail des occupants qui guide le choix du niveau de consigne de la température intérieure. Mais il importe de prendre conscience des conséquences énergétiques de ce choix.

Quel est l’impact d’une consigne de température réglée sur 24° ou 25° en été ?

Hypothèses

Une simulation informatique réalisée sur un local de bureau type, en façade Sud, avec double vitrage ordinaire, gains internes moyens (30 W/m²), occupation 10 h/jour, 5 jours/semaine.

Situation 1

consigne à 25°C : consommation de refroidissement : 100 % (référence)

Situation 2

consigne à 24°C : consommation de refroidissement : 129 % !

(cet accroissement élevé est du au fait qu’à ce niveau de température, une augmentation de 1°C entraîne une large augmentation de la durée de refroidissement).

Pour définir la consigne de température intérieure, plusieurs stratégies sont possibles (à imposer via la régulation). Voici leur classement par ordre décroissant de consommation :

Soit une consigne intérieure qui augmente linéairement en fonction de la température extérieure, entre deux limites minima et maxima. Cette solution, appelée « consigne compensée » est très coûteuse en énergie (près de 200 % de la situation de référence de l’exemple ci-dessus). En pratique, elle conduit par exemple à refroidir en mi-saison jusqu’à 21°, parce que la température extérieure est très fraîche, mais que le soleil enclenche la climatisation. Une consigne flottante aurait généré 23 à 24°C dans le local sans enclenchement de la climatisation.Cette consigne « compensée » ne semble pas adaptée à notre région.L’absence de zone neutre engendre bien souvent un gaspillage énergétique (« pompage » entre les équipements de chaud et de froid, ou « destruction » d’énergie pure et simple).
Soit une consigne flottante entre 21 et 24°C, sans référence à la température extérieure. Il lui correspond un mode de régulation des vannes du type ci-dessous.
Soit une consigne flottante entre 21 et 25°C, sans référence à la température extérieure. L’élargissement de la zone neutre est financièrement intéressante sans diminution forte du confort (ce sont les 29 % gagnés dans l’exemple ci-dessus).
Soit une consigne flottante entre 21 et 24°C (ou 25°), et une augmentation linéaire de la température au-delà de 24°C afin de ne pas dépasser un écart intérieur-extérieur de plus de 6°C. Cette dernière solution est favorable en matière de consommation et de confort, car elle évite un « choc thermique » trop important des occupants à chaque passage du sas d’entrée (source de refroidissements).

Remarque : le système de climatisation peut modifier le niveau de consigne intérieure : la technique de plafonds rayonnants froids permet de sélectionner une température de consigne de l’air de 25°C, voire 26°C. La consommation en diminue d’autant.

Posted By : 25 Sep, 2007

Organiser le rafraîchissement par free-cooling

Organiser un balayage nocturne

Le free cooling naturel

Dans un bâtiment existant, le free cooling peut se faire au moyen d’une ventilation naturelle, par de grandes ouvertures en façades, c’est-à-dire a priori, par les fenêtres (on imagine mal de percer des ouvertures dans la façade et les planchers).

Ventilation naturelle individuelle de chaque locaux.

Ventilation naturelle transversale.

Grille de ventilation nocturne intensive. Ces grilles, réalisées sur mesure, se fixent par l’intérieur en été, laissant toute liberté de manipulation de la fenêtre par les occupants.

Il existe évidemment une série de contraintes à la réalisation et à l’efficacité d’une ventilation naturelle nocturne intensive. Citons notamment :

la collaboration nécessaire des occupants,
les risques de sous-refroidissement des locaux, le matin,
l’inertie nécessaire des parois,
…

Pour garantir l’efficacité du free cooling nocturne malgré ces contraintes, la ventilation naturelle peut être automatisée (ouvertures automatiques, régulées en fonction de la température intérieure et extérieure).

Hors de prix ? Pas vraiment, ainsi la « fenêtre de toiture » avec ouverture automatique est aujourd’hui un produit vendu en grande série (si la T° intérieure dépasse in certain seuil, la fenêtre s’ouvre via une petite vis sans fin motorisée. Si nécessaire, un détecteur de pluie entraîne sa fermeture).

Il est difficile d’estimer, dans un cas particulier, le gain réalisable grâce au free cooling nocturne. Cela dépend de la structure du bâtiment, de mode de ventilation, de la taille des ouvertures, de la température extérieure, …

Pour fixer un ordre de grandeur, nous avons simulé le comportement d’un immeuble de bureaux type.

Dans ce bâtiment de 3 000 m², la température intérieure maximum est maintenue sous 24°C par un système de climatisation. Une ventilation naturelle nocturne, de 4 renouvellements par heure, est organisée lorsque la température intérieure dépasse 23°C et la température extérieure est inférieure à 18°C. Nous avons constaté une diminution de la consommation due à la climatisation :

de 44 % si le bâtiment présente une inertie thermique importante (pas de faux plafond, de faux plancher, cloisons en béton);
de 21 % si le bâtiment présente peu d’inertie thermique (faux plafonds et planchers, cloisons en plaques de plâtre).

Ce cas est évidemment idéal puisqu’il suppose la présence d’un système d’ouvertures automatiques régulé en fonction des températures. Ces estimations doivent être revues à la baisse dans le cas d’une gestion manuelle du free cooling.

Mentionnons cependant qu’il existe des exemples de bâtiments existants dans lesquels, au moyen de grilles installées dans les châssis existants et manipulées manuellement par les occupants, on est parvenu à des résultats probants en matière de maîtrise des surchauffes d’été.

Études de cas

Le bâtiment « PROBE » du CSTC à Limette : une ventilation intensive de nuit permet, sans climatisation, d’y limiter la température intérieure de la plupart des bureaux en dessous de limites de confort d’été.

Intégrer l’air frais dans le système de climatisation

Le free cooling mécanique

Il est possible également de valoriser la présence du système de climatisation, en forçant la ventilation mécanique durant la nuit. Ce n’est pas toujours intéressant du point de vue énergétique : la consommation électrique des ventilateurs pour assurer un débit suffisant durant la nuit pourrait être pratiquement semblable à la consommation de la climatisation pour évacuer la même quantité de chaleur à la relance matinale !

En pratique, la ventilation ne devrait s’enclencher que si l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur dépasse 5 K à 8 K. Tout dépend de la perte de charge du réseau qui est associé au ventilateur et à la performance de celui-ci.

Il faut de bons débits d’air pour assurer un effet de refroidissement notable. Si c’est uniquement l’air de ventilation qui est pulsé, cela n’apportera qu’une puissance de 10 W/m² environ. Ce sont donc les systèmes « tout air » qui sont les plus efficaces à ce niveau. Ce sera le cas pour des salles de réunion, de conférence, etc …

Avec les systèmes de climatisation « tout air », le free cooling de jour est également possible. En effet, lorsque des besoins en refroidissement se font ressentir pour une température extérieure inférieure à la température intérieure, il y a tout intérêt à valoriser le pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur plutôt que faire fonctionner la batterie de refroidissement. La régulation devra alors augmenter l’ouverture des volets d’admission d’air neuf au détriment de l’air recyclé.

Cas particulier : les bâtiments équipés de roof-top

Ce sont des appareils dimensionnés pour vaincre les pires canicules de l’été. Le débit des ventilateurs est donc fort important. Non seulement on lui adaptera utilement un variateur de vitesse pour limiter le débit d’air en hiver, mais en plus on l’exploitera durant la nuit en été pour réaliser le free cooling du bâtiment à faible coût. Avec un peu de tâtonnement au début pour ajuster la courbe, un régulateur en fonction de l’air extérieur devrait faire des merveilles !

Concevoir

Pour en savoir plus sur les possibilités d’exploitation du pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur et sur application pratique du free-cooling.

Exploiter la ventilation hygiénique en complément de la climatisation

On a vu que le free cooling nocturne ne pouvait remplacer la climatisation que sous certaines conditions, notamment la réalisation de renouvellements d’air importants, ce qui impose l’utilisation de la ventilation naturelle.

Dans un bâtiment climatisé, on peut aussi se demander si, durant la nuit, on ne peut pas profiter du réseau de ventilation hygiénique pour décharger la chaleur accumulée durant la journée et faciliter la relance matinale du système de climatisation.

Exemple.

Comparons 2 systèmes, dans un bureau individuel maintenu, par la climatisation, à 26°C en journée :

	Journée	Nuit
Système 1	Ventilo-convecteurs	ventilation hygiénique double flux
Système 2	Ventilo-convecteurs	Ventilo-convecteurs, ventilation coupée

Système 1

durant la nuit, les ventilo-convecteurs sont mis à l’arrêt. La ventilation hygiénique (soit 30 m³/h) est maintenue en fonctionnement pour profiter du pouvoir refroidissant de l’air extérieur.

Si la température de pulsion de l’air est de 16°C (ce qui équivaut à une température extérieure de l’ordre de 14°C si on considère que les pertes du ventilateur et les pertes de charge augmentent la température de l’air neuf de 2°C), la puissance frigorifique fournie par l’air équivaut à :

0,34 [W/(m³/h).K] x 30 [m³/h] x (26 [°C] – 16 [°C]) = 100 [W]

La puissance absorbée par les ventilateurs (pulsion et extraction) nécessaire à cette ventilation est de l’ordre de 0,65 W/(m³/h) (ordre de grandeur courant pour un réseau de ventilation hygiénique double flux équivalent à une perte de charge totale de 1 500 PA et un rendement total de ventilateur de 0,65), soit :

0,65 [W/(m³/h)] x 30 [m³/h] = 19,5 [W]

Bilan : on appelle donc une puissance électrique de 19,5 W pour produire 100 W de froid.

Système 2

durant la nuit, la ventilation est mise à l’arrêt et les ventilo-convecteurs assurent l’abaissement nocturne de la température.

Pour fournir une même puissance frigorifique que dans le premier système, soit 100 W, le système de climatisation consommera (avec une efficacité frigorifique de 3) :

100 [W] / 3 = 33 [W] pour la production de froid,
1 [W] pour la pompe de circulation d’eau glacée,
50 [W] / 20 = 2,5 [W] pour le ventilateur du ventilo-convecteur (le ventilateur d’un ventilo-convecteur de 2 kW absorbe une puissance voisine de 50 W).

Soit un total de 36,5 W.

Bilan : on consomme donc 36,5 W pour produire 100 W de froid.

Conclusions

Dans l’exemple ci-dessus, réaliser un free cooling de nuit au moyen d’une ventilation mécanique consomme nettement moins d’électricité que l’élimination de la chaleur résiduelle du bâtiment par les ventilo-convecteurs. On ne peut cependant pas en faire une généralité. Ceci dépend évidemment des consommations respectives des différents équipements.

Par exemple, la puissance électrique des ventilateurs (ici : 0,65 W/(m³/h)) dépend de la perte de charge du réseau de distribution d’air, donc de la complexité du réseau de distribution et de la présence d’équipements comme des batteries de chauffage, des humidificateurs ou silencieux.

Dans un simple circuit de ventilation hygiénique particulièrement étudié pour diminuer la consommation électrique (rendement de ventilateur élevé, pertes de charge faibles), cette puissance peut être réduite à 0,25 W/(m³/h), ce qui favorise grandement le free cooling mécanique nocturne par rapport à la climatisation. Par contre dans un réseau complexe (avec batterie de traitement d’air, …), on peut arriver à des puissances de ventilateur de l’ordre de 1 W/(m³/h).

De même, l’efficacité frigorifique de la production de froid est variable en fonction de sa qualité intrinsèque et des conditions de fonctionnement. On repère, par exemple, dans les spécifications techniques d’un fabricant que l’efficacité frigorifique de la machine x varie de 1,8 (pour une température d’eau froide de 5°C et une température d’air au condenseur de 45°C) à 3,7 (pour une température d’eau froide de 10°C et une température d’air au condenseur de 25°C).

Comme le montre le tableau suivant, le choix du mode de fonctionnement peut varier en fonction de la qualité des équipements.

Exemple : comparaison de la puissance absorbée par le free cooling nocturne et la puissance absorbée par une machine frigorifique pour évacuer 100 W (dans les conditions de fonctionnement de l’exemple ci-dessus) en fonction de la qualité énergétique de la ventilation et de la production de froid .

Puissance spécifique de la ventilation [W/(m³/h)]	Efficacité frigorifique de la machine frigorifique	Puissance absorbée par la ventilation [W]	Puissance absorbée par la climatisation [W]
0,25	1,8	7,5	59
0,65	3	19,5	36,5
1	3,7	30	30

L’idéal serait donc de pouvoir comparer sur site les consommations des deux systèmes existants.

En outre, pour que le type de free cooling décrit ici soit efficace, il faut que la température extérieure soit suffisamment basse pour permettre un refroidissement réel.

Dans l’exemple ci-dessus, si la différence entre la température intérieure et la température de l’air neuf pulsé diminue en dessous de 10°C, il est nécessaire d’augmenter le débit d’air neuf pour garantir la même puissance frigorifique de 100 W. Ainsi si la température de pulsion est inférieure de 5°C par rapport à la température intérieure (ce qui équivaut à une température extérieure de 26 [°C] – 5 [°C] – 2 [°C] = 19 [°C]), le débit de ventilation devrait être augmenté à 56 m³/h, ce qui entraîne une consommation électrique au minimum identique à celle des ventilo-convecteurs. Si l’écart de température diminue encore, ce qui est possible durant les nuits chaudes d’été, le free cooling mécanique sera plus consommateur que le système de climatisation par ventilo-convecteurs !

Ce qui montre la limite du free cooling nocturne mécanique.

Posted By : 25 Sep, 2007

Diminuer les charges thermiques internes

L’apport des occupants

L’homme apporte chaleur sensible (par notre corps à 37°C) et chaleur latente (par notre production de vapeur d’eau en respiration et transpiration).

Ces valeurs varient en fonction de la température ambiante.

En hiver, l’occupant d’un bureau à 22°C fournit 85 Watts de chaleur gratuite au local. Par ailleurs, il disperse 47 grammes d’eau dans l’atmosphère chaque heure. Cet apport d’eau ne modifie pratiquement pas la température du local et ne constitue donc pas un apport complémentaire en hiver.

Par contre, en été, la vapeur d’eau délivrée augmente (70 gr/h à 26°C) et sera condensée sur la batterie froide du ventilo-convecteur, par exemple. La chaleur de condensation correspondante devra être comptabilisée dans le bilan thermique de la machine frigorifique.

Peut-on diminuer ces consommations ?

En hiver, l’apport des personnes est bénéfique pour l’installation de chauffage.

En été, il est difficile d’empêcher les gens de transpirer ! Quoique… il faudrait suggérer au patron une petite sieste salutaire pour diminuer le métabolisme et donc cette coûteuse charge thermique pour le climatiseur !

Plus sérieusement, il est parfois possible d’augmenter la température du fluide refroidissant (boucle d’eau glacée, par exemple), afin de limiter la charge thermique de condensation de la vapeur d’eau.

Dans un climatiseur de local par contre, on travaille « en détente directe », la température du fluide frigorigène (que l’on ne peut modifier) sera inférieure au point de rosée, et la condensation aura toujours lieu…

L’apport des équipements

Toute charge électrique (éclairage, bureautique, machine à café, …) dans un local refroidi est payée deux fois : une fois pour effectuer le travail attendu, une fois pour évacuer ce travail qui s’est transformé en énergie calorifique.

Par exemple : 100 lampes de 60 Watts vont entièrement convertir l’énergie qu’elles utilisent en chaleur. Il faudra donc évacuer 6 000 W, ou 6 kW de chaleur… !
Puissance installée du compresseur est inférieure à la puissance frigorifique apportée à la pièce par le système de refroidissement !

en choisissant dans un catalogue un appareil de « 6 kW », on sélectionne un climatiseur dont l’évaporateur est capable d’apporter 6 kWh de froid (= de retirer 6 kWh de chaleur) au local en 1 heure de fonctionnement. Donc, « 6 kW » constitue sa puissance frigorifique.

Mais pour ce faire, curieusement, le compresseur demande une puissance électrique plus faible, de l’ordre de 2 kW. Après une heure, il aura consommé une énergie de 2 kWh (sur base d’une efficacité frigorifique de 3).

Et la facture d’énergie électrique en une heure sera de 8 kWh (6 kWh pour les lampes + 2 kWh pour la climatisation).

Quelle réduction des charges thermiques ?

Dans les bâtiments plus anciens, on peut généralement diminuer les puissances électriques utilisées pour l’éclairage des locaux et pour les équipements de bureautique notamment (ordinateur, photocopieuse, …). Une meilleure gestion de ces équipements peut également permettre de diminuer la consommation de la climatisation.

Évaluer	Pour évaluer la qualité de l’éclairage existant.
Améliorer	Pour examiner les améliorations possibles.

La rentabilité des interventions sur ces équipements est améliorée par l’économie complémentaire faite sur le coût d’exploitation de la climatisation.

Posted By : 25 Sep, 2007

Placer un climatiseur ou une protection solaire ?

Introduction

Si les apports solaires sont à l’origine de la surchauffe, il faut se demander, avant de climatiser si le placement de protections solaires sur les baies vitrées ne permettrait pas de résoudre le problème de façon plus économe.

Voici les résultats d’une simulation du comportement d’un bureau standard. On y a comparé les coûts d’achat et d’exploitation d’un climatiseur et d’un store extérieur.

Hypothèses de travail

Il s’agit d’un bureau de 30 m² de surface au sol, orienté au sud.
Une température de confort y est maintenue été comme hiver par un système de climatisation.

Consignes de température intérieure
en hiver	en période d’occupation	20°C
	en période d’inoccupation	15°C
en été	en période d’occupation	25°C
	en période d’inoccupation	30°C
Horaires de fonctionnement de l’installation de climatisation
occupation	de 8 à 18h en semaine (260 jours par an)
ralenti	de 17 à 7h en semaine et 24 h sur 24 les week-ends
Apports internes en période d’occupation
cas 1 : apports limités	2 personnes (2 x 70 W) 2 lampes individuelles (2 x 18 W) éclairage général de 13 W/m² (390 W)
cas 2 : apports moyens	2 personnes (2 x 70W) 2 lampes individuelles (2 x 18 W) 2 ordinateurs (2 x 160 W) éclairage général de 13 W/m² (390 W)

Résultats de la simulation

Cas 2 (apports internes moyens) Consommations en climatisation durant une année
surface du vitrage [m²]	présence d’une protection solaire (1)	consommation en froid (2)[kWh/an]	température maximum atteinte sans climatisation (3)[°C]	coût d’exploitation (4)[€/an]	potentiel d’économie [€/an]
4	non	456	33,5	52,5	38,8
4	oui	119	28,4	13,7	38,8
6	non	650	35,8	74,75	58,8
6	oui	139	28,8	16	58,8
8	non	826	38	95	77,2
8	oui	155	29,2	17,8	77,2
10	non	985	40,1	113,3	94
10	oui	168	29,6	19,3	94

(1) les protections solaires sont des protections extérieures mobiles. Leur déploiement intervient de mars à octobre lorsque le rayonnement solaire traversant le vitrage dépasse 100 W/m².

(2) l’efficacité frigorifique du climatiseur est estimée à 2,5.

(3) en juin.

(4) à 0,11 €/kWh.

Conclusions

Lorsque les gains internes ne sont pas trop importants (cas 1), on peut considérer que la surchauffe est principalement due aux apports solaires. Dans ce cas, en admettant un très léger inconfort (température intérieure maximum de 26°C lorsqu’il fait 32°C à l’extérieur), on peut envisager le placement de protections solaires sur les fenêtres et l’absence d’un climatiseur.

Pour illustrer ceci, comparons les coûts des deux solutions pour une fenêtre de 6 m² :

Solution	Coût d’investissement	Coût d’exploitation	Coût total sur 10 ans (3)
Protection solaire extérieure en toile	750 € (1)	0 €/an	750 €
Climatiseur de fenêtre de 3 kW	875 € (2)	44,05 €/an	1315,5 €

(1) le coût d’une protection solaire est estimé à 125 €/m² (attention ce coût est indicatif et peut varier fortement en fonction de la taille de la protection et de son degré d’automatisation).

2) le climatiseur de fenêtre est couramment le système le moins cher. En fonction de l’emplacement des éléments en fonction du confort recherché, des liaisons électriques et frigorifiques le coût d’investissement de la climatisation peut augmenter rapidement (on atteint rapidement 2500 €).

3) hors entretien.

Lorsqu’une partie importante de la surchauffe est due aux apports internes (cas 2), le placement de protections solaires seules ne permettra pas d’atteindre le confort voulu. Cependant, celles-ci diminueront souvent les besoins en froid et leur surcoût pourra être rentabilisé en moins de 10 ans (diminution de la puissance installée du climatiseur et des consommations). Par exemple, pour une fenêtre de 6 m² :

Solution	Coût d’investissement	Coût d’exploitation	Coût total sur 10 ans (3)
Protection solaire extérieure en toile et climatiseur de fenêtre de 1,5 kW	1 250 €	1,7 €/an	1267 €
Climatiseur de fenêtre de 3 kW, sans protection solaire	875 €	44,05 €/an	1 315,5 €

Lorsque chaque personne dispose d’un ordinateur, le placement de protections solaires seules ne permettra pas d’atteindre le confort voulu. Cependant, celles-ci diminueront souvent les besoins en froid et leur surcoût pourra être rentabilisé en moins de 10 ans (diminution de la puissance installée du climatiseur et des consommations). Pour maîtriser la température intérieure sans climatisation, il faudra en plus adopter une politique active de ventilation : le free cooling.

Posted By : 25 Sep, 2007

Adapter la consigne d’humidité relative de l’ambiance

Limiter l’humidification en hiver

Le besoin d’humidifier est lié à l’apport d’air neuf hygiénique en hiver : l’air extérieur froid, une fois réchauffé, est un air sec. Généralement, pour assurer un bon confort thermique, il est recommandé de porter l’air à un taux d’humidité relative minimum de 40 %. Cette humidification est énergétiquement coûteuse.

À titre d’exemple, en passant d’une consigne de 20°C 50 % HR à 20°C 60 % HR, le coût de l’humidification augmente de plus de 60% et le coût total du traitement de l’air est augmenté de 6,5 % si l’eau est froide dans l’humidificateur (chaleur de vaporisation prise sur l’air) et de 11 % si l’humidification est réalisée par un humidificateur électrique à vapeur…

La première action est de limiter la consigne des sondes d’humidité éventuelles sur des valeurs minimales assurant de confort :

40 % HR, si l’humidification est commandée au moyen d’une consigne d’humidité relative dans l’ambiance ou dans la gaine de reprise d’air.
moins de 40 % HR, si l’humidification est commandée par une sonde installée dans la gaine de pulsion (il faut tenir compte de l’apport en humidité des occupants).

La deuxième action est d’abaisser au maximum en hiver la consigne de point de rosée des groupes de traitement d’air ou installation une correction automatique de cette consigne en fonction de l’humidité ambiante.

Techniques

Pour en savoir plus sur la régulation par point de rosée et son optimalisation,

La troisième action complémentaire des deux premières est de mettre à l’arrêt l’humidification lorsque la température extérieure dépasse 5 .. 8°C.

Le besoin d’humidification n’existe qu’en hiver.

Pour être certain que l’humidification soit stoppée suffisamment tôt, il est possible de commander le fonctionnement de l’humidificateur en fonction de la température extérieure (interrupteur en série). En pratique, le critère « stopper l’humidification si T°_ext> 5°C » est simple et efficace. La sonde peut être placée à l’extérieur ou dans la gaine d’air frais. De toute façon, un air extérieur à 5°C est, en Belgique, chargé de 4,5 gr_eau/kg_air. Une fois chauffé, il atteint 20°C et 30 % HR (ce qui est temporairement supportable). D’autant que l’apport en eau interne (plantes, occupants,…) portera l’air à 40 % HR.

Un seuil de l’ordre de 8°C peut être choisi si le bâtiment présente très peu d’apport interne en eau et/ou si l’installation travaille en « tout air » neuf (c’est à dire en climatisation « tout air » sans recyclage partiel de l’air extrait).

Cet arrêt peut aussi être décidé manuellement dès la fin des gelées diurnes (vers le début mars).

D’autres avantages à cette mesure

De plus, on se prémunit ainsi :

D’un dérèglement de la régulation : il arrive, rarement il est vrai, de rencontrer un caisson de traitement d’air où, en mi-saison, l’humidification est combattue par la déshumidification de la batterie de froid …!

Du fonctionnement sporadique de l’humidificateur (difficulté de régulation des humidificateurs de type « laveur d’air » en mi-saison, avec son cortège de développement bactérien si l’installation n’est pas automatiquement vidangée…

Comme toujours en URE, la mise en place d’une telle mesure doit être progressive : le réglage du seuil de température peut être abaissé progressivement, en étant attentif aux plaintes éventuelles.

À noter :

Il arrive que l’humidificateur tombe en panne … et qu’aucun occupant ne s’en rende compte… !
En quelque sorte, il s’agit là d’un réglage du seuil très, très bas… !

Adapter la consigne en fonction des températures réelles

Si la sonde d’humidité relative est placée dans la gaine de reprise, il est possible (sinon certain) que la température moyenne qui y règne est supérieure à la température de l’ambiance, ce qui va fausser la mesure et augmenter le taux d’humidité ambiant.

Mettons que la reprise (placée dans le faux plafond) aspire de l’air à 25°C alors que l’ambiance est à 22°C. Une consigne réglée sur 50 % HR, va générer en réalité une ambiance à 60 % HR. En effet, la sonde va régler l’humidificateur pour assurer 25°C et 50 % HR, ce qui correspond à l’humidité de 22°C et 60 % HR dans le diagramme de l’air humide…

Adapter la consigne en fonction des températures réelles

Il faut donc tenir compte de cette stratification des températures et diminuer la consigne à, par exemple, 34% HR pour avoir une ambiance à 40 % HR.

Adapter une consigne flottante

À défaut de couper l’humidification en fonction d’un seuil de température extérieure, si la régulation actuelle impose un niveau d’humidité fixe de 50 %, il est possible de diminuer la facture énergétique (liée à l’humidification mais aussi à la déshumidification) en laissant « flotter » le niveau de consigne entre 35 et 60 %, sans atténuation du confort dans les locaux.

Ce n’est que pour des cas particuliers bien spécifiques qu’une fourchette plus stricte est nécessaire

salle d’opération ou de réanimation en milieu hospitalier,
production industrielle (imprimerie, textile,…),
musées,
…

Pour plus d’informations, il sera utile de consulter l’amélioration du fonctionnement de l’humidificateur.

Category Archives: Limiter les besoins

Réduire les apports de chaleur dus à l’éclairage

La puissance installée

Le type de lampe

Lampes à incandescence

Lampes fluorescentes et lampes à décharge (haute pression)

LED

Bilan énergétique de quelques lampes

Influence de l’inertie du local

Influence du type de plafond

Adapter la consigne de température de l’air ambiant

En hiver

En été

Quel est l’impact d’une consigne de température réglée sur 24° ou 25° en été ?

Situation 1

Situation 2

Organiser le rafraîchissement par free-cooling

Organiser un balayage nocturne

Le free cooling naturel

Intégrer l’air frais dans le système de climatisation

Le free cooling mécanique

Cas particulier : les bâtiments équipés de roof-top

Exploiter la ventilation hygiénique en complément de la climatisation

Conclusions

Diminuer les charges thermiques internes

L’apport des occupants

Peut-on diminuer ces consommations ?

L’apport des équipements

Quelle réduction des charges thermiques ?

Placer un climatiseur ou une protection solaire ?

Introduction

Hypothèses de travail

Résultats de la simulation

Conclusions

Adapter la consigne d’humidité relative de l’ambiance

Limiter l’humidification en hiver

Adapter la consigne en fonction des températures réelles

Adapter une consigne flottante