Principaux protocoles et leurs caractéristiques

Présentation

Les protocoles les plus populaires dans le smartbuilding sont :

Le KNX (Multi-supports, Multi-techniques, normalisé)
Le BACNet (Multi-technique, normalisé)
Le Protocole Dali (dédié à l’éclairage, non normalisé mais DALI2 arrive)
Modbus (Dérivé du BACNet : HVAC & contrôle de l’éclairage)
MBus (Compteurs intelligents)

D’autres protocoles sont utilisés couramment dans le bâtiment, dont notamment :

Wi-Fi,
Bluetooth,
Zigbee,
Z-Wave,
EnOcean,
Thread,
Opentherm

	Protocole	Réseau	Domaine	Portée (m)	Consommation	Interopérabilité	Normalisé	Commentaire
	Wi-Fi	2,4Ghz ou 5Ghz	Polyvalent	10-250	Très élevée	Oui	OUI	Gros débits de données
	Bluetooth	2,4Ghz	Polyvalent	5-125*	faible		Oui	Facilité de configuration
	Zigbee	2,4Ghz	Polyvalent	20-50*	Très faible	Oui		Max 65000 appareils
	Z-Wave	868Mhz	Polyvalent	20-50*	Très faible	Oui		Max 232 appareils, plus stable que Zigbee,
	EnOcean	Ondes	Remote control	30-60	nulle***	Oui		Zéro énergie
	Thread	Ondes	Polyvalent	40*
	KNX	Câbles / CPL / Ondes / Ethernet	Polyvalent	350-700		Oui	Oui
	BACnet	Câbles et dernièrement ondes radio (BACnet over Zigbee)	Polyvalent	350-700		Oui	Standard international normalisé	très lent mais plus rapide en version IP.
	Dali	Câbles	Éclairage	500			Non, DALI-2 le sera
	Modbus	Câbles	HVAC, parfois éclairage	1200				Lent, dérivé du BACnet
	Opentherm	Câbles ou ondes	Chauffage Refroidissement	/
	W-Mbus	Ondes (LoRa**)	Compteurs	Sans-fil : 1000-5000	Très faible	Bonne
Maillage possible permettant aux appareils de jouer le rôle de nœuds pour étendre la portée du réseau. Réseau sans fil étendu à longue portée. ** Bouton piézoélectrique qui fournit l’énergie nécessaire à l’envoie de l’information.

KNX

Le KNX, également appelé KONNEX, est né sur les cendres des protocoles EHS, EIB et Bâtibus avec la volonté de favoriser la standardisation et l’interopérabilité dans les Smartbuildings grâce à un protocole normé et ouvert.

Il s’agit d’un protocole de communication commun à différents équipements tant au niveau de l’éclairage comme les boutons-poussoirs, les détecteurs de présence, … qu’au niveau HVAC comme les vannes motorisées, les moteurs de protection solaire, …

Il s’agit d’un protocole qui peut être véhiculé sur plusieurs supports : sans-fil, par bus terrain, par courant porteur en ligne ou par câble Ethernet.

Le Protocole KNX est développé en partenariat fort avec le BACNET mais veille également à l’interopérabilité de son protocole avec les autres protocoles comme le DALI ou le Modbus pour ne citer que les principaux.

En 2016, les spécifications KNX sont devenues gratuites.

Les dernières informations techniques en date peuvent être trouvées sur leur site.

Bacnet

Le Bacnet est un protocole de communication international et normalisé très répandu. Le Bacnet est plus lent que le KNX mais profite également d’un large champ d’application (bien qu’il soit principalement orienté HVAC).

Les dernières informations techniques en date peuvent être trouvées sur leur site.

Protocole Dali

Rien à voir avec Salvador ! DALI est un protocole de communication dédié exclusivement à la gestion d’éclairage.

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) est une interface standard développée et soutenue par différents grands constructeurs de ballasts électroniques. DALI permet de gérer, commander et réguler numériquement une installation d’éclairage par l’intermédiaire d’un bus de communication deux fils communément appelé « ligne DALI ».

Fini, en théorie, les soucis de compatibilité d’équipement !

En effet, quels que soient les composants de l’installation d’éclairage :

un détecteur de présence,
une cellule photo électrique,
un bouton poussoir,
un interrupteur gradable à mémoire,
un ballast électronique,
…

et pour autant qu’ils possèdent l’appellation DALI, toutes marques confondues, ils sont capables de communiquer entre eux via la ligne DALI.

Mais qu’apporte exactement DALI ?

> Une gestion flexible de l’éclairage par :

un adressage individuel des ballasts électroniques, et par conséquent des luminaires,
la facilité de découper les espaces en zones indépendantes,
la simplicité de programmation, de modification de programmation sans devoir intervenir physiquement sur l’installation.

> Un confort et une simplicité :

de mise à disposition de multiples scénarios de commande et de gestion pour l’utilisateur et le gestionnaire technique,
de mise en œuvre pour le maître d’œuvre.

Modbus

Le protocole Modbus est un protocole de communication dérivé du BACnet faisant partie du domaine public. Le protocole peut utiliser l’Ethernet ou des bus terrain comme support physique (RS232, RS485 par exemple).

Ce protocole date des années 1979 et ne permet pas à plusieurs appareils d’émettre en même temps sur une branche. Le protocole fonctionne selon le principe du maitre-esclave : l’esclave n’ayant la « parole » que lorsque l’équipement maitre le demande.

Les dernières informations techniques en date peuvent être trouvées sur leur site.

M-Bus

Le M–Bus est un bus de terrain pour l’acquisition de données de consommation de compteurs d’électricité, de compteurs de chaleur, de compteurs de gaz, …

Posted By : Gregory Leonard 25 Nov, 2019

Protocole de communication

Définition

Un protocole de communication est un ensemble de règles et de codes de langage qui définissent comment se déroule la communication entre un émetteur et un récepteur.

Rôle

Pour qu’un bâtiment intelligent puisse fonctionner, il faut que tous les sous-systèmes puissent communiquer entre eux et se comprennent. Pour se faire, il faut un réseau physique (des câbles) ou sans fil (émetteur, ondes, récepteur) pour acheminer l’information mais il faut aussi que ces informations soient émises dans un langage bien codifié pour qu’elles puissent être reçues et interprétées par les autres appareils du réseau.

Le rôle du protocole est donc de régir la manière dont l’émetteur et le récepteur vont échanger des informations et donner une signification commune aux données brutes qu’ils s’échangent.

Fonctionnement général

Les systèmes doivent donc parler un langage commun mais aussi connaitre quelques codes simples d’émission et de réception des données. C’est par l’utilisation d’un protocole que l’on cadre et définit cela. En plus d’un langage commun, le protocole fixe notamment :

La manière d’indiquer qu’un appareil est prêt à recevoir de l’information,
Le contexte de la communication (update, action à réaliser, demande d’un état, …)
La façon de s’assurer que le message a bien été reçu et compris,
Les procédures en cas d’anomalies ou de ruptures de la communication,
La procédure de fin de communication.

Pour expliquer le fonctionnement, l’analogie de l’appel téléphonique est souvent utilisée car là aussi, un protocole codifie la communication et permet la compréhension mutuelle :

Le récepteur indique qu’il est prêt à recevoir (le récepteur décroche et dit « Allô ») ;
L’émetteur situe la communication dans son contexte (« Je suis Sergio. Je t’appelle pour la raison suivante … ») ;
Par exemple, l’émetteur commande une action et identifie un éventuel destinataire final (« Peux-tu prévenir la Reine Mathilde que … ») ;
Le récepteur s’assure d’avoir bien compris le message (« Peux-tu me répéter le nom ? ») ;
Les procédures en cas d’erreur sont mises en place (« Je te rappelle si je n’arrive pas à la joindre. ») ;
Les parties se mettent d’accord sur la fin de la communication (« Au revoir. »).

Mais la communication ci-dessus a aussi implicitement enclenché d’autres actions avec d’autres protocoles : une autre couche de communication :

Quand l’interlocuteur de Sergio préviendra la Reine Mathilde, celui-ci utilisera un autre protocole de communication, adapté à sa réceptrice couronnée.
Aussi, avant même de dire « Allô », les téléphones ont dû communiquer entre eux (tonalité, sonnerie, …) pour ouvrir la ligne selon un protocole qui leur est propre.

Au final, ce sont autant de protocoles, parfois différents, superposés ou en chaînes qui peuvent être utilisés dans la cadre d’une simple requête.

Pour faire le lien entre deux protocoles différents, l’utilisation de ponts ou passerelles est nécessaire.

L’enjeu de l’Interopérabilité

Pour qu’un smartbuilding fonctionne de manière optimale, l’interopérabilité des systèmes est primordiale.

L’interopérabilité des protocoles et des systèmes ne s’annonce pas être une chose facile dans la dynamique actuelle poussant à la création « d’environnements dédiés » pour chaque produit ou famille de produits pour des raisons purement économiques et de marketing.

Il faudra éviter autant que possible la fragmentation des protocoles. Mais, heureusement, la Commission électrotechnique internationale (IEC en anglais) veille à assurer la sécurité et l’interopérabilité des systèmes.

L’autre enjeu est celui de la normalisation des protocoles. Certains protocoles très courants comme le DALI n’est pas normé (heureusement, le DALI-2 devrait bientôt voir le jour et sera normé).

Il reste que les protocoles de communication les plus populaires sont encore nombreux mais bien souvent interopérables. Ouf !

Posted By : Gregory Leonard 20 Nov, 2019

Supports de communication dans le bâtiment

Les « bus terrain » (les câbles)

Les bus informatiques sont des éléments câblés portant l’information dans le bâtiment. Dès les débuts de la GTC et jusqu’à aujourd’hui c’est dans la plupart des cas via ce type de support que les informations des systèmes techniques sont transportées.

L’utilisation de câbles plutôt que d’ondes radios pour la communication possède plusieurs avantages. Le réseau :

Est stable, robuste, sans perte de connexion,
Durable dans le temps,
Peut traverser les murs, même épais,
Frais de maintenance réduits,
Ne peut-être infiltré à distance.
Généralement plus véloce que les réseaux sans-fil.
Aucune suspicion d’impact sur la santé, contrairement aux ondes (favorise l’acceptation).

Mais également certains désavantages :

Coût jusqu’à 5-15% plus cher qu’un réseau déployé par ondes radio((En 2019, dans la majorité des cas, selon les intégrateurs que nous avons pu consulter.)).
Complexité de mise en place, demande d’être méticuleux et organisé pour ne pas s’y perdre, notamment en cas de travaux de rénovation.
Peuvent prendre de la place,
Inesthétiques.

Par défaut, ce sont des câbles qui sont utilisés dans la majorité des cas, tandis que les ondes radios sont utilisés pour répondre à des exceptions pour lesquelles du câblage ne serait pas adapté : télécommande mobile, appel infirmier, considérations esthétiques et techniques (par exemple : pour éviter de traverser une paroi en verre dans une salle de réunion sans espace technique), …

Dans certains cas, pour des questions de cybersécurité et de protection de données, l’utilisation de câblage est rendue obligatoire. Les systèmes anti-intrusion sont ainsi obligatoirement câblés. Dans un avenir proche, le raccordement des caméras de sécurité devra également être réalisé en filaire.

Déjà actuellement, les caméras, souvent nombreuses et de haute résolution représentent des flux de données considérables plus facilement gérable en filaire.

Les ondes radio

Les ondes radios sont utilisés par des protocoles de communication comme le zigbee, le Wifi, le bluetooth. Les réseaux sans-fils présentent plusieurs avantages :

Celui, majeur, de permettre aux appareils d’être libres de tout fils et donc mobiles ou portables (bouton poussoir d’éclairage EnOcean, télérelevé de comptage, appel infirmier, télécommandes…)
Réduction de l’impact visuel et du nombre de percements.
Simplifier et réduire le nombre de branchements (points de contacts) lorsqu’un grand nombre d’appareils sont circonscrits dans un espace relativement restreint (portiques d’entré,…).
Généralement moins cher à mettre en œuvre.

Mais, également, certains désavantages :

le réseau est plus facilement soumis à des perturbations,
Le coût de maintenance est plus élevé,
Les suspicions d’impact des ondes sur la santé peuvent constituer un frein à l’acceptation,
Le réseau créé autour des points d’émissions pourrait ne pas être circonscrit à l’enceinte physique du bâtiment et, donc, mettre à mal la cybersécurité du bâtiment. Quand bien même le réseau serait borné à l’enceinte du bâtiment, il sera plus facile d’accéder de l’intérieur à un réseau sans fil diffusé dans l’espace qu’à un réseau câblé moins accessible.
Débit pouvant-être plus faible que les réseaux câblés.

Le courant porteur en ligne (CPL)

Dans certains cas, généralement dans le cadre domestique, le réseau électrique en place pourra servir d’infrastructure de support à la communication. Ce support a l’avantage de préexister et permet donc le déploiement d’un réseau à moindre coût.

Le principe est simple, on émet des hautes fréquences (ondes courtes) sur le réseau de courant électrique, ces ondes vont se superposer aux basses fréquences du courant alternatif. En bout de course, les récepteurs situés sur le réseau vont décoder le signal en soustrayant les fréquences liées au courant électrique alternatif de manière à retrouver le signal émis.

Ce type de support a cependant certaines limites :

Le câblage électrique est conçu pour les basses fréquences à haute énergie (l’électricité circule à une fréquence de 50Hz dans nos contrées tandis que le CPL utilise des hautes fréquences à faible énergie au-delà de 9kHz). De ce fait, les gaines ne sont généralement pas blindées ce qui augmente le risque de brouillages et d’interférences.
Certains éléments du réseau comme les onduleurs peuvent couper les hautes fréquences,
Une panne de courant empêche le fonctionnement de la communication dans la plupart des cas,
Si l’intensité électrique du réseau varie fortement, le signal devient plus difficilement lisible et la communication s’en trouve gênée.

Posted By : Gregory Leonard 20 Nov, 2019

Internet des objets (IOT : Internet Of Things)

Si nos bâtiments, au sens de leurs systèmes techniques, deviennent intelligents, il en va de même de pratiquement tous nos objets du quotidien pour lesquels il existe en variante dite « smart » : montres connectées, ampoules, frigo, matelas, aspirateurs, tondeuses à gazon, balances, réveils, radios, télévisions, serrures, gamelles du chien, compteurs, pots de fleur, caméras, enceintes à reconnaissances vocales, etc…

Cette explosion récente du « smart » dans tous les domaines et l’avènement de plateformes ouvertes (applications, logiciels, …) qui rendent possibles l’interopérabilité entre un très grand nombre de ces objets ont permis de lier tous ces composants, a priori sans points communs, pour donner la possibilité aux utilisateurs de les faire interagir au sein d’un grand écosystème.

Ce n’est pas clair pour vous ? Voyez plutôt : Si vous possédez, à tout hasard, une ampoule connectée et une poubelle connectée, il est possible pour vous de paramétrer les choses suivantes en quelques clics :

Si nous sommes un jeudi ET qu’il est 19h00 ET que la poubelle n’est pas vide,

ALORS Allumer la lumière de la cuisine en rouge ET recevoir une notification sur le smartphone disant « sortir les poubelles ».

Ou encore si vous possédez une sonde de qualité de l’air (CO/CO₂/Humidité), des ampoules connectées et une enceinte connectée :

Si CO supérieur à 500 ppm,

ALORS allumer toutes les lumières en rouge ET allumer les enceintes à 100 % ET faire sonner le téléphone ET envoyer un sms « help » au voisin

Les objets peuvent-être utilisés d’un grand nombre de manières que ce soit pour des économies d’énergie, plus de commodité, de confort ou encore pour sa sécurité.

C’est donc cet ensemble d’objets physiques (une poubelle, une ampoule, une enceinte, une sonde CO) ou virtuels (une horloge en ligne, la météo, …) connectés directement ou indirectement (via des passerelles de connexion) à un même réseau et pouvant interagir entre eux qu’on appelle l’internet des objets ou IOT.

L’Union internationale des télécommunications((Dans sa note de recommandation UIT-T Y.2060 URL : https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-Y.2060-201206-I!!PDF-F&type=items)) en donne la définition suivante : « infrastructure mondiale pour la société de l’information, qui permet de disposer de services évolués en interconnectant des objets (physiques ou virtuels) grâce aux technologies de l’information et de la communication interopérables existantes ou en évolution ».

D’après la note de recommandation UIT-T Y.2060

Avec cette interconnexion galopante et le développement des technologies de la communication, les frontières entre l’utilisateur, les « wearables », les objets connectés et les systèmes techniques s’amenuisent et ces différentes échelles s’intègrent, s’assimilent mutuellement.

Posted By : Gregory Leonard 20 Nov, 2019

SmartBuilding : définition

Définition

Un bâtiment intelligent ou « Smartbuilding » est un bâtiment qui cherche à répondre aux enjeux généraux de confort, de bien-être, de sécurité et de performance énergétique et environnementale par l’exploitation des technologies liées au monde numérique.
Architecture et Climat – Janvier 2019

Pour chacun de ces enjeux, le Smartbuilding poursuit 4 objectifs majeurs :

La flexibilité énergétique,
La commodité et l’ergonomie,
L’optimisation et l’efficacité,
La maintenance et la prévention des pannes.

Le bâtiment intelligent cherche à atteindre ces 4 objectifs pour chacun des enjeux en faisant communiquer et coopérer les systèmes du bâtiment entre eux tout en incluant l’occupant.

Le bâtiment, désormais smart, dispose ainsi de nouveaux outils numériques pour (s’)informer, contrôler, prévoir, optimiser et simplifier la gestion du bâtiment.

Le Building Performance Institute Europe [BPIE] ajoute qu’un bâtiment intelligent :

« Conduit à une décarbonisation plus rapide des systèmes énergétiques par l’utilisation du stockage d’énergie et l’amélioration de la flexibilité de la demande énergétique ;
Habilite et responsabilise ses usagers et occupants en leur offrant le contrôle des flux d’énergie ;
Reconnait et réagit aux besoins des occupants et des usagers en termes de confort, de santé, de qualité de l’air intérieur, de sécurité mais aussi d’exigences pratiques. «

Mais cette « surcouche SMART » présente également des risques et de nouveaux défis pour le secteur du bâtiment. Principalement, ces risques sont : l’échec de la symbiose avec les occupants, la cybersécurité, l’obsolescence des équipements, le surcoût économique et environnemental à rentabiliser (voir plus loin).

Quelle différence avec la GTC ?

Le smartbuilding se différencie de la GTC (Gestion Technique Centralisée) :

par son champ d’application plus large, allant bien au-delà de la HVAC en intégrant d’autres systèmes (accès, ascenseur, renouvelable, sécurité, …)
Par son niveau d’interaction plus élevé et plus complexe entre les différentes techniques. Ceci permet à la HVAC, l’éclairage, les protections solaires, le contrôle d’accès,… de fonctionner de concert pour améliorer le confort et la performance du bâtiment.
par sa philosophie et son caractère beaucoup plus flexible et ouvert. Ces qualités se manifestent vers l’utilisateur qui dispose désormais d’interface conviviales pour configurer ses systèmes à souhait mais également entres les différents systèmes techniques. Dans un Smartbuilding, les éléments ne sont liés entre eux que par un réseau et de la programmation : un détecteur ou un interrupteur n’est pas structurellement relié à une lampe plutôt qu’à une autre. La manière dont les différents éléments d’un smartbuilding interagissent entre eux est désormais flexible et modifiable à souhait.

Finalement, alors que le « cerveau » de la GTC est centralisé dans un centre de gestion, celui d’un Smartbuilding est réparti entre les différents systèmes et est présent à plusieurs échelles dans chaque sous-système.

Par exemple, chaque ampoule embarque un logiciel métier mais c’est également le cas de la passerelle qui gère les interactions entre les interrupteurs, les ampoules et le réseau. Un cloud peut également intervenir sur la gestion du système et constituer une source de service supplémentaire. Cette configuration décentralisée et parfois distribuée de la gestion améliore la résilience des systèmes.

Quels sont les systèmes intégrés dans le bâtiment intelligent ?

Concrètement, grâce à l’interopérabilité et à la standardisation lente mais croissante des protocoles de communication, les Smartbuildings sont capables de monitorer, analyser et faire coopérer une variété de systèmes techniques de plus en plus large. La seule limite étant la créativité du concepteur et/ou de l’intégrateur pour répondre aux besoins de l’occupant.

La liste des sous-systèmes pouvant coopérer au sein d’un smart building est sans limite. Nous citerons donc à titre non exhaustif les systèmes principaux les plus souvent intégrés que sont :

Le système de raccordement au réseau et les compteurs intelligents,
Le système de production de chaleur,
Le système de refroidissement,
Le système de production d’ECS,
Le système de ventilation,
Le système de production et d’intégration d’énergie renouvelable,
Le système de stockage d’énergie,
Le système d’éclairage,
La motorisation des parties mobiles de l’enveloppe (stores, fenêtres motorisées…),
Le système de protection incendie,
Le système de gestion des eaux,
Les ascenseurs,
Le système d’accès et de sécurité,
La recharge et l’intégration des véhicules électriques,
Le monitoring et le contrôle du bâtiment,
Les appareils électroménagers.

Mais aussi, pourquoi pas : la détection de fuites, les livraisons, les déchets (poubelles connectées), l’inventaire, l’agenda partagé (peut coopérer avec les systèmes des salles de réunion, etc…), l’arrosage automatique, …

Gadget ou vraiment « smart » ?

Dans la vie de tous les jours, qu’est-ce qu’un bâtiment intelligent, qu’a-t-il de vraiment smart ?

Gadget : Objet, appareil, dispositif, projet etc…, qui séduit par son caractère nouveau et original, mais qui n’est pas d’une grande utilité.

Smart : Se dit d’un bien dont la maintenance ou le fonctionnement sont assurés par un dispositif automatisé capable de se substituer, pour certaines opérations, à l’intelligence humaine.

LAROUSSE – 2018

Si le concept et l’imaginaire qui entoure le smartbuilding peut sembler un peu « geek » ou gadget au premier abord, la différence entre un bâtiment « non-smart » des années 60’ et un bâtiment intelligent correspond à peu près à la différence qu’on peut retrouver entre un tracteur « full manuel » des années 60 et une voiture hybride semi-autonome d’aujourd’hui !

Le tracteur est composé d’une série d’éléments (phares, moteur, direction, freins…) actionnés et régulés indépendamment par des commandes individuelles, directes et manuelles.

À contrario, et même si nous y sommes habitués et que nous ne le remarquons peut-être plus, nos voitures actuelles sont en réalité des « smartcars » avec tout ce que cela comporte d’aspects positifs, ou pas.

Rendez-vous compte : la voiture hybride choisi seule si c’est le moteur électrique ou thermique qui doit être utilisé en fonction de l’état de la batterie, du réservoir, de la vitesse et du type de conduite ; la voiture ne se déverrouille que lorsque la clé se trouve à proximité, la lumière intérieure s’allume à l’ouverture de la porte ; les phares s’allument automatiquement quand la nuit tombe ; les vitesses passent automatiquement et de manière adaptée à notre conduite du moment ; le volume de la musique baisse lorsque le GPS s’exprime, l’alarme pour la ceinture sonne dès que le siège détecte la présence d’un passager non ceinturé ; le moteur s’éteint au feu rouge, etc…

Tiens, tiens, … entre notre tracteur et notre voiture dernier cri, tout ne serait-il pas devenu interconnecté via un réseau d’information et partiellement automatisé pour faciliter la vie à bord, améliorer le confort, la sécurité et économiser de l’énergie ?

Dans le secteur automobile comme dans le bâtiment, pour être réellement smart, il est important de trouver le bon équilibre entre automatisation et suggestion en fournissant de l’information exploitable par l’utilisateur (entretien à venir, limitation de vitesse, pression des pneus, bouchons, présence d’un obstacle, …) lui suggérant telle ou telle action.

Ainsi, nous ne sommes pas à l’abri de certaines fonctions « gadget » mais, dans leur ensemble, les bâtiments intelligents le sont vraiment et ont un impact mesurable sur l’efficacité énergétique, le confort, le bien-être, la santé et la sécurité des occupants((Vincent Bonneau & Tiana Ramahandry, I. a.-A. (2017, 10). Commission Européenne. (E. Union, Éd.) Consulté le 06 2019, sur https://ec.europa.eu: https://ec.europa.eu/growth/tools-databases/dem/monitor/sites/default/files/DTM_Smart%20building%20-%20energy%20efficiency%20v1.pdf)).

Dans la littérature, nous pouvons observer des réductions de consommation des bâtiments allant de 5-15% pour la HVAC et jusqu’à 60% pour l’éclairage((Vincent Bonneau & Tiana Ramahandry, I. a.-A. (2017, 10). Commission Européenne. (E. Union, Éd.) Consulté le 06 2019, sur https://ec.europa.eu: https://ec.europa.eu/growth/tools-databases/dem/monitor/sites/default/files/DTM_Smart%20building%20-%20energy%20efficiency%20v1.pdf)) en fonction du niveau (très variable) d’intelligence, d’automatisation et d’intégration des systèmes.

Pour conclure, tout n’est évidemment pas mauvais ou inutile dans le smartbuilding mais, comme dans les autres secteurs, il vaudra toujours mieux privilégier les alternatives passives et la sobriété énergétique, plutôt que consommer de manière « Smart ».

Quels sont les risques liés au smartbuilding ?

Les risques inhérents à la mise en œuvre sont au nombre de 4 :

Risque d’échec de la symbiose avec les occupants,
Risque de faille informatique, cybersécurité,
Risque d’obsolescence des équipements et softwares,
Risque de surcoût économique et environnemental non rentabilisé.

Échec de la symbiose avec les occupants :

Si le projet va trop loin dans l’automatisation, l’optimisation et la prédiction tout en réduisant les possibilités de déroger et d’interagir avec les systèmes, alors l’occupant perd la maitrise de son bâtiment. Il pourrait se retrouver sans levier d’action et ne plus comprendre pourquoi en plein hiver les stores se ferment au premier rayon de soleil alors que lui, en plein « blue monday », est à la recherche de Vitamine D !

Il faudra à tout prix éviter ce décalage entre d’un côté, une sombre optimisation énergético-économique opérée par une machine et de l’autre, les envies et besoins impulsifs éminemment humains des occupants. Pour éviter ce clash, la « machine » devra fait preuve de transparence, flexibilité, interactivité et convivialité !

Plus généralement, pour qu’un projet de smartbuilding soit positivement adopté par les utilisateurs, celui-ci devra répondre de façon proche et avec tact aux besoins de ces derniers. Pour donner toutes ses chances au projet de Smartbuilding, le concepteur et l’intégrateur (qui sont parfois une même entité) devraient être impliqués dans le projet et échanger avec les occupants et les acteurs de la construction (Architecte, entrepreneur, électricien, …) dès les premières esquisses puis tout au long du projet.

C’est notamment lors de ces discussions que les « fourchettes » d’action (borner le chauffage entre 16°C et 22°C par exemple) et que les limites de la paramétrisation laissées à l’occupant via les diverses interfaces sont définies. À l’issue de ces discussions, un équilibre devra être trouvé entre, d’une part :

garantir la robustesse du système et éviter que l’occupant puisse toucher à trop d’éléments techniques, ce qui risque d’engendrer des dysfonctions
et, d’autre part, lui permettre d’ajuster, de déroger sur suffisamment de paramètres pour qu’il conserve le contrôle et la maitrise de son bâtiment.

Risque de faille informatique, la cybersécurité

L’autre risque qui survient quant on mandate des machines pour prendre des décisions à notre place et qu’on les interconnecte entre elles est celui de la cybersécurité : « Et si quelqu’un s’infiltre et prend les commandes de mon bâtiment ? Ou pire, s’il utilise la connection d’une ampoule comme passerelle pour s’infiltrer sur mon serveur d’entreprise et voler mes données ? »

Bien que les inquiétudes soient légitimes, bien que la vigilence soit de mise, il n’y a pas de raison de s’en inquiéter irrationnelement ou, en tous cas, plus que nous le faisons déjà avec notre réseau Wifi, notre smartphone, mots de passes ou nos clés d’appartement.

Étant donné qu’aucun système de sécurité n’est fiable à 100%, que ce soit les serrures de votre bâtiment ou son alarme, la bonne pratique en matière de (cyber)sécurité est d’agir proportionnellement. Cela commence en évaluant la valeur des données et/ou des biens que renferme le bâtiment pour définir un niveau de sécurité adapté à atteindre et l’appliquer partout : à son smartbuilding, au réseau wifi, aux serrures physiques du bâtiment, aux mots de passes des adresses mail, …

Par analogie : « Installer une porte blindée ne sert à rien si la fenêtre reste ouverte. »

Il faut donc prendre la question de la cybersécurtié au sérieux et faire réaliser un audit pour définir le niveau de protection à atteindre mais également garder à l’esprit que d’importants progrès en la matière sont réalisés jour après jour et que les cas de cyberattaques directement liées à une faille d’un Smartbuilding sont relativement rares. Si les données que renferment le bâtiment ont de la valeur, il est toujours possible d’étanchéifier le réseau « smartbuilding » du/des réseaux qui renferment des données sensibles.

Si, au départ, le cloud avait une place importante dans le smartbuilding, suite à la révélation de certaines failles informatiques conséquentes, il est de moins en moins utilisé. Aujourd’hui, le remote controling du smartbuilding est réalisé par réseau privé virtuel ou VPN. Sans entrer dans les détails, un VPN fonctionne comme un tunnel temporaire et étanche qui permet de se connecter directement à distance à un ordinateur situé dans le bâtiment. Contrairement au Cloud qui « discute » tout le temps avec le bâtiment, ici un tunnel n’est ouvert qu’en cas de besoin et l’ensemble se déconnecte quand il n’y a plus d’échanges.

Le risque d’obsolescence des équipements et des softwares.

Les premiers smartbuilding sont relativement récents de sorte que les retours sont peu nombreux et ne permettent pas de déterminer avec certitude si ces bâtiments feront face à un phénomène d’obsolescence ou non. Néanmoins, quelques éléments de réponses peuvent être apportés.

Tout d’abord, l’interopérabilité et la structure du réseau « plug and play » décentralisé ou parfois distribué des systèmes du smartbuilding est un gage de résilience et donc de durabilité. Dans ces systèmes peu hiérarchisés et non-linéaires, chaque élément ou presque peut-être remplacé ou retiré individuellement. D’autres éléments peuvent éventuellement être ajoutés. C’est un système évolutif, ce qui facilite grandement les réparations, adaptations, remplacements.

Cependant, qui dit systèmes évolutifs, dit également systèmes qu’on aura envie de faire évoluer. La tentation de compléter son système avec des équipements « gadgets » superflus ou par la nouvelle version de l’un ou l’autre équipement peut indirectement être source de gaspillage et d’obsolescence.

Si la GTC appartient progressivement au passé, celle-ci avait la qualité de pouvoir accompagner un bâtiment plus de 15 ans sans modification ou encombre majeure.

Quand nous observons les durées de vies couramment observées des softwares, objets connectés et autres tablettes, nous pouvons légitimement douter de la pérennité de l’ensemble des composants du smartbuilding.

>30-50 ans pour un bâtiment,
>15-20 ans pour un équipement de technique,
±8-10 ans pour un objet connecté,
±4-6 ans pour un système d’exploitation
Et ±2-4 ans pour une application

Risque de voir le surcout économique et environnemental non rentabilisé sur la durée de vie

La Smartbuilding poursuit, entre autres, un objectif d’efficacité environnementale et de rationalisation de la consommation d’énergie. Le Maitre d’ouvrage cherche de surcroit à réaliser des économies en réduisant la consommation et l’empreinte environnementale de son bâtiment.

Le premier risque d’un smartbuilding est d’observer une optimisation énergétique et une baisse de la facture énergétique insuffisamment conséquente pour compenser le surcoût « smart » lors de la construction du bâtiment.

Ensuite, comme les nombreuses sondes, équipements, puissances de calcul, … sont sous-tension et communiquent 24h/24, 7j/7, ils engendrent une consommation d’électricité non négligeable. Ces équipements supplémentaires ont également une empreinte en énergie grise liée à leur fabrication dont il faut tenir compte. Le second risque serait que cet « investissement environnemental supplémentaire » ne soit pas au moins compensé par l’économie et la rationalisation énergétique que ces équipements génèrent au cours de leurs vies.

On estime qu’en 2025 les objets connectés auront une consommation équivalente à un pays comme le Canada.

Basé sur les chiffres de l’AIE (Agence Internationale de l’Énergie) – 2013

Le « smart » : un progrès (in)contournable ?

Un faisceau d’incitants directs et indirects comme le « SRI », l’intégration croissante du renouvelable, l’encouragement à l’autoconsommation, le choix européen d’orienter la mobilité vers l’électrique, des attentes et des normes de confort et de commodité croissantes vont pousser chaque jour un peu plus à « smartiser » nos bâtiments.

Si la volonté est de se doter des dernières technologies pour profiter des fonctionnalités et services les plus à la pointe, alors le Smart et l’interconnexion deviendront incontournables.

L’automatisation de certaines tâches et l’optimisation du bâtiment nous permet alors de multiplier les fonctionnalités, les services, rationnaliser la consommation d’énergie et améliorer le confort tout en nous soulageant d’une partie de la gestion et de la programmation.

Néanmoins, nous observons également combien la course au progrès se fait régulièrement au détriment du bon sens et de la maitrise de son environnement. C’est pourquoi nous pensons qu’il nous revient, au cas par cas, de définir si un tel progrès est de nature à répondre à un besoin réel ou non. Plutôt que d’offrir des solutions à un problème qui n’existe pas, le smartbuilding se devra de répondre sur-mesure aux besoins et aux attentes propres à chaque groupe d’occupant.

D’un point de vue uniquement énergétique, si nous devions positionner l’intégration du « smart » dans une stratégie de conception telle que la trias-energetica, elle trouverait assurément sa place en queue de peloton :

lorsque les besoins sont réduits au maximum rationnel (Optimisation de l’enveloppe, des comportements…),
que la plus grande part possible des besoins est couverte par des énergies renouvelables,
et que le complément (fossile) est produit avec le meilleur rendement possible

Alors seulement, comme dernier effort, le smartbuilding devrait être envisagé et intégré au bâti de manière à rationnaliser toujours plus les besoins, optimiser l’autoconsommation, perfectionner le confort et améliorer l’efficacité et la gestion énergétique.

Il serait hautement souhaitable que l’utilisation de cette force de calcul puisse, paradoxalement (?), se mettre au service des solutions Low-Tech et passives en les rendant plus autonomes et intelligentes de manière à les rendre aussi efficaces que certains systèmes actifs complexes, lourds et consommateurs d’énergie.

En effet, des éléments architecturaux « basiques » comme les fenêtres ouvrantes ou les volets sont des composants formidablement simples et efficaces pour refroidir ou ventiler un bâtiment. Leur unique « défaut » réside éventuellement dans leur mauvaise utilisation : faute d’information et de capacité d’anticipation de l’occupant mais également dans l’impossibilité d’être actionné en dehors des horaires d’occupation.

Avec un peu d’IA et quelques sondes simples, l’utilisateur peut, par exemple, être informé anticipativement par une simple diode LED de l’intérêt ou non d’actionner tel ou tel dispositif de manière à adapter et optimiser son utilisation des ouvrants.

Dans certains cas judicieux, pour aller plus loin, ces éléments peuvent être connectés et motorisés de sorte que, lorsque l’utilisateur est absent, le smartbuilding pourra prendre le relais et actionner ces systèmes simples avec très peu de moyens techniques et énergétiques.

Architecture et Climat – Janvier 2019

Posted By : Gregory Leonard 20 Nov, 2019

Intelligence artificielle (IA) appliquée aux bâtiments

Aujourd’hui, l’intelligence artificielle (IA) s’immisce partout, jusque dans nos bâtiments… Mais au-delà du mythe, de la crainte ou encore du fantasme, qu’est-ce que réellement l’intelligence artificielle et quel rapport entretient-elle avec les bâtiments ? De quoi s’agit-il ?

L’intelligence artificielle regroupe l’ensemble des technologies (les programmes, codes, machines, techniques…) capable de reproduire un ersatz d’intelligence. Il s’agit donc pour ces outils, programmes ou techniques de simuler des processus cognitifs, parfois plus vite qu’un humain, parfois de façon originale. Néanmoins, l’intelligence artificielle ne peut naître d’elle-même ou apprendre d’elle-même sans supervision humaine. L’IA n’a pas de « volonté » ou de « conscience », il ne s’agit que d’une chaine de petits calculs et algorithmes relativement « simples » qui, combinés bout à bout et itérés, permettent d’accomplir des processus cognitifs complexes (reconnaitre des caractères, convertir une voix en texte, …). Ce haut niveau de complexité peut parfois semer le trouble et faire croire « qu’il y a quelqu’un là de-dedans » mais il n’en est rien !

Les limites d’une intelligence informatique supervisée

Si, du côté du matériel (le « hardware »), les « machines de calcul » atteignent des sommets (augmentation des puissances, cloudcomputing, …), la limite la plus forte se situe dans la formalisation, la programmation des tâches : comment expliquer à une machine qu’elle doit effectuer une tâche déterminée ?

C’est en effet une chose d’avoir de la puissance et une endurance à toute épreuve mais si on ne sait pas qu’il faut mettre un pied devant l’autre pour courir, toute cette puissance ne sert à rien. Ainsi, la programmation informatique des tâches est aussi ardue que la logique d’une machine est éloignée de celle d’un humain : une machine a plus de facilité à énumérer des nombres premiers qu’à reconnaitre un chat ou, simplement, marcher. Pour une machine tout est mathématique et logique, rien n’est « inné », tout doit rentrer dans des cases.

Aussi, jusqu’à présent, aucune machine n’apprend par elle-même à partir de rien. Systématiquement, l’humain doit spécifier les paramètres à prendre en compte, les règles du jeu et l’objectif à atteindre.

La performance de la machine dépend donc de ses composants mais surtout de la capacité de l’humain à en tirer parti et savoir « expliquer » (programmer) les règles du jeu de manière efficace et, le cas échéant, à fournir des données en quantité et qualité suffisante pour que la machine puisse les analyser et s’optimiser pour répondre au mieux aux objectifs. La machine peut donc s’entrainer ou optimiser un processus, parfois à des niveaux de complexité très élevés mais ne peut pas, à l’origine, faire preuve d’intelligence ou d’initiative pure par elle-même.

Si nous observons en bref le fonctionnement d’un thermostat « dernier cri » dit « smart » ou « intelligent », on se rend compte que ce n’est pas un génie. Il s’agit d’une machine à qui on a expliqué (programmé) que, pendant son exploitation, elle allait devoir optimiser sa manière d’agir sur la chaudière en fonction d’une série de paramètres (température extérieure, ensoleillement, température intérieure, …) de manière à ce que la température mesurée des espaces intérieurs réponde au mieux aux attentes planifiées de l’occupant.

Cette machine enregistre les différents paramètres qu’elle mesure et adapte son fonctionnement logique si elle manque son objectif (selon un processus d’itération préprogrammé par le concepteur). En effet, si le nouveau thermostat « intelligent » que vous avez depuis 3 jours déclenche par défaut la chaudière 30 minutes avant le réveil de l’occupant pour atteindre 20°C à 7h du matin, il va arriver un jour où les températures extérieures vont baisser et où la pièce aura besoin de bien plus de 30 minutes pour chauffer. Ce jour-là, la machine va se tromper et atteindre la température de consigne en retard mais surtout elle va le mémoriser et tenir compte de son erreur. Ainsi, si elle est bien programmée, elle « se souviendra », la prochaine fois qu’il fera aussi froid, qu’elle n’y était pas parvenue et elle lancera la chaudière un peu plus tôt et ainsi de suite. Au fil du temps, des erreurs et des corrections, le thermostat perfectionnera son algorithme pour répondre au mieux à sa mission. Plus le programmeur aura fait intervenir des paramètres dans l’algorithme plus la machine pourra se perfectionner et corriger son calcul au fil du temps.

Dans tous les cas, la machine restera limitée par son hardware (le nombre et la qualité de ses capteurs) mais aussi et surtout par la qualité de sa programmation. En effet, il ne faudrait pas que le jour où vous oubliez une fenêtre ouverte toute la nuit avec pour effet de biaiser le comportement de la relance de votre chauffage, le thermostat se dérègle et désapprenne tout. Seul un programmeur intelligent qui aurait anticipé ce genre de cas pourra permettre au thermostat de comprendre que ce matin-là était anormal et qu’il ne doit pas en tenir compte pour la suite.

Quelle place dans le bâtiment ?

Le numérique, les technologies de la communication et l’IA, prennent une place de plus en plus importante grâce aux évolutions dans les domaines des TICs (technologies de l’information et de la communication), de l’informatique, de l’électronique, … Avec l’automatisation croissante, ces progrès ont permis l’introduction dans nos bâtiments de systèmes techniques plus complexes et finement régulés sans pour autant augmenter proportionnellement la difficulté de la gestion quotidienne pour les occupants.

Ainsi, les systèmes du bâtiment ont pu devenir de plus en plus nombreux, interconnectés, perfectionnés et complexes individuellement. Cette complexité est en voie de s’accroitre dans les prochaines années avec l’intégration croissante des énergies renouvelables et la mise en réseau lente mais progressive des systèmes entre eux de sorte qu’il y aura encore une augmentation considérable du nombre de prise de mesures, de décisions et d’actions à automatiser et optimiser pour réguler tous ces systèmes en continu de manière optimale et coordonnée.

L’intégration de ces technologies dans ce qu’on appelle désormais un « smartbuilding » représente une opportunité unique d’amélioration de la performance énergétique et du confort dans les bâtiments.

Posted By : Gregory Leonard 15 Nov, 2019

Les dossiers thématiques : Le QZEN

Connaitre les tenants et aboutissants de la nouvelle exigence QZEN, anticiper en communiquant autour de cette exigence afin d’aiguiller les acteurs du secteur de manière appropriée, tels sont les objectifs de cette page thématique consacrée au QZEN.

Dans cette optique, nous nous sommes concentrés sur la compréhension du QZEN : C’est quoi le QZEN ? Évolution ou révolution ? QZEN= renouvelable ?

Ensuite, l’accent a été mis sur la conception énergétique des bâtiments « Quasi Zéro Énergie » : Quelle approche de conception pour le QZEN ?

Finalement, nous avons poursuivi la mise à jour du contenu sur les énergies renouvelables, le stockage énergétique dans le bâtiment et les réseaux intelligents.

Qu’est-ce que le QZEN ?

Quelle approche de conception pour le QZEN ?

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Posted By : Sylvie Rouche 4 Juin, 2019

Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Climatisation]

Choix du type de compresseur

Il existe de nombreuses technologies de conception des compresseurs.

Techniques

Pour découvrir ces diverses technologies, cliquez ici !

Pour aider à la sélection, il est possible de les regrouper par « familles » et d’en tirer leurs propriétés communes.

On distingue les compresseurs par le mode de compression :

Le compresseur volumétrique, où la compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à piston, à vis, à spirales (compresseurs scroll) et des compresseurs rotatifs.

Le compresseur centrifuge, où la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur.

On les distingue également par l’association moteur-compresseur :

Le compresseur ouvert, où le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L’accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques…) ne compensent pas le défaut majeur de l’existence d’un joint d’étanchéité rotatif à la traversée du carter par l’arbre. Ce joint, qui doit être lubrifié pour assurer l’étanchéité, est source de fuites… inacceptables aujourd’hui dans un contexte « zéro-fuite ».

Le compresseur hermétique, où moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n’est plus possible de réparer… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur.Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, …

Le compresseur semi-hermétique, qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l’étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique.Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances.

Critères énergétiques de sélection parmi les différents types de compresseur

Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés. Le tableau ci-dessous (valeurs recommandées par le standard ARI) permet d’apprécier globalement la performance que l’on peut attendre des différents types de compresseurs :

Type d’équipement

COP min. recommandé (kWr/kWe)

Groupes de production d’eau glacée à pistons

A refroidissement par air

– Jusqu’à 100 kWr
– Supérieur à 100 kWr

A refroidissement par eau

– jusqu’à 10 kWr
– Supérieur à 10 kWr

3,0
3,0

3,7
4,0

Groupes de production d’eau glacée à vis

A refroidissement par air

A refroidissement par eau

– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr

4,5

4,6
5,0

Groupes de production d’eau glacée centrifuges

A refroidissement par air

– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr

A refroidissement par eau

– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr

3,8
3,84,5
4,7

Conditions standard ARI 550/590-98. Exemple : pour groupes de production d’eau glacée, température départ eau glacée = 6,7°C ; température entrée condenseur à eau = 29,4°C / à air = 35,0°C.

Comment choisir ?

Globalement, la tendance actuelle est :

à l’abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à piston),
au développement des machines tournantes, à came rotative, à spirale rotative (scroll) ou à vis.

Le compresseur à vis …		… et la vis en question !
		Compresseur scroll.

Les avantages portent :

sur une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité,
un rendement volumétrique d’un compresseur assez bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons,
une meilleure modulation de puissance,
une plus grande longévité,
un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques,
une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide (« coups de liquide » destructeurs des compresseurs à pistons),
un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.

Pas de secret : leur coût d’achat est encore plus élevé…

On choisira des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques pour atteindre l’objectif zéro-fuite de fluide frigorigène, objectif qui sera un jour obligatoire au niveau réglementaire.

La puissance frigorifique à atteindre constitue un critère de choix de départ, mais la sélection d’un compresseur demande une vue globale sur les typologies disponibles en fonction de la puissance frigorifique et sur le mode de régulation de puissance. Un camion peut être très performant, mais s’il est trop puissant, il n’atteint pas la performance de 2 camionnettes…

Dans le tableau synthèse de sélection, on trouvera les deux critères rassemblés.

Critères énergétiques de sélection du compresseur lui-même

Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera « pour rien » puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l’orifice de refoulement jusqu’à atteindre la pression de condensation.

La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l’installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.

Le concepteur choisira un « rapport de volume interne » (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d’un rapport entre les volumes à l’entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d’utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d’entraînement possible.

Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable. Le taux de compression s’adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d’évaporation.

Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu’à charge partielle.

L’insertion d’un économiseur (ou « superfeed » ou « suralimentation »)

Le fonctionnement technique de l’économiseur dépasse la portée de nos propos, mais le principe de base consiste à injecter une quantité de fluide frigorigène supplémentaire dans le compresseur, à une pression intermédiaire entre la pression de condensation et d’aspiration.

La puissance frigorifique en est nettement améliorée alors que la puissance absorbée n’augmente que légèrement.

On rencontre différentes modalités d’application de ce principe dans trois technologies de compresseur :

Dans les compresseurs à vis, où un orifice est prévu dans la paroi du stator pour injecter du fluide juste après la phase d’aspiration.

Dans les compresseurs rotatifs à palettes multiples, où une augmentation de 10 % de la puissance absorbée, génère de 20 à 30 % de la puissance frigorifique, suivant le régime de fonctionnement.

Dans les compresseurs centrifuges, où ce système est prévu par certains constructeurs lorsque le compresseur comporte deux roues. Les gaz supplémentaires sont injectés à l’entrée de la deuxième roue où ils se mélangent aux gaz refoulés de la première roue. Même si la puissance absorbée augmente, le coefficient de performance en est accru. On cite par exemple un COP accru de 6 % pour une température d’évaporation de 0°C et une température de condensation de 40°C.

Refroidisseur de liquide à compresseur centrifuge de 3 900 kW.

Prévoir dès le départ la mesure du COP de l’installation :

Pour la bonne gestion future d’une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d’énergie sur l’eau glacée et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l’ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d’imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance… en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect.

Choix de la technique de régulation de puissance

La puissance de la machine frigorifique a été dimensionnée pour répondre aux conditions de fonctionnement extrêmes (période de canicule), sans compter les surdimensionnements liés aux incertitudes d’occupation.

La première économie consiste à évaluer au plus près la puissance frigorifique nécessaire car la machine frigorifique s’adapte mal aux bas régimes. Chaque palier de diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne ! Pour vérifier les ordres de grandeur dans un cahier des charges, un ratio (très approximatif !) de 100 W/m² peut situer les besoins d’un bureau. La puissance totale du bâtiment ainsi trouvée sera multipliée par 2/3 pour tenir compte de la non-simultanéité des besoins.

Ensuite, il faut choisir une régulation qui lui permette de répondre à des besoins généralement beaucoup plus faibles que la valeur nominale et fluctuant dans le temps.

Diverses techniques de régulation sont possibles :

la régulation par « tout ou rien » (marche/arrêt ou pump-down),
la régulation progressive de la pression d’évaporation,
la régulation par « étages »,
la régulation par cascades (ou « centrales »),
la régulation par variation de vitesse ou « INVERTER »,
la mise hors-service de cylindres,
le by-pass des vapeurs refoulement-aspiration,
l’obturation de l’orifice d’aspiration,
la régulation par injection des gaz chauds,
la régulation « par tiroir » des compresseurs à vis,
la prérotation du fluide frigorigène dans les turbocompresseurs.

Les investissements dans une régulation performante sont très rentables. Le supplément de prix demandé par l’installation de plusieurs unités en cascade (centrale) ou d’unités avec un réglage fin de la production (turbocompresseurs et compresseurs à vis avec régulation de l’aspiration) est rapidement compensé par les économies d’énergie réalisées. Un surcroît d’investissement de 10 à 15 % génère de 20 à 30 % d’économie d’énergie.

Le découpage de la puissance

Classiquement, la solution consiste à répartir la puissance :

soit en choisissant un compresseur à plusieurs étages (= plusieurs cylindres ou plusieurs pistons),
soit en créant une cascade entre plusieurs compresseurs (= compresseurs en centrales).

Le choix d’un compresseur à plusieurs étages est réservé aux machines frigorifiques utilisées en congélation. Suite à la très basse température de l’évaporateur, la différence des pressions à vaincre par le compresseur est fort élevée. Il est alors très utile de décomposer la compression en deux étapes : c’est le rôle du compresseur bi-étagé. On choisit également ce système lorsque la température de refoulement des gaz comprimés devient trop élevée : c’est par exemple le cas de l’ammoniac.

Par contre, en climatisation, un montage en parallèle de plusieurs machines (montage « en centrale ») est simple et fiable puisque les machines restent indépendantes.

Compresseurs alternatifs
montés en tandem.

La variation progressive de la puissance est énergétiquement favorable puisqu’aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement.

Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine, mais imaginerait-on d’installer une grosse chaudière sans prévoir une cascade pour reprendre les faibles besoins de la mi-saison ?

Un découpage de la puissance en étages est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes.

Il en résultera :

Un gain sur les kWh (énergie) :
- car le « petit » compresseur alimentera un condenseur surdimensionné pour ses besoins, d’où une pression de condensation plus basse,
- car le rendement du moteur du compresseur sera amélioré.
Une longévité accrue de l’installation par un fonctionnement plus régulier.
Une sécurité d’exploitation.
Un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facturée par la société distributrice.

En général, on établit les enclenchements en cascade sur base de l’évolution de la température de retour de la boucle d’eau glacée, température qui constitue une image des besoins du bâtiment. Le tout est temporisé de telle sorte que les compresseurs ne s’enclenchent pas tous les uns à la suite des autres.

Une bonne solution peut être également de réguler en fonction de la température du ballon-tampon, lorsqu’il est existant.

Pourquoi un ballon tampon ? Un compresseur ne peut démarrer et s’arrêter trop fréquemment sous peine de s’échauffer. Pour prolonger la durée de vie du matériel en diminuant le nombre de démarrages, le constructeur prévoit un « anti-court cycle », c’est-à-dire la temporisation du redémarrage si l’installation vient de s’arrêter. La présence du ballon tampon amplifie l’inertie thermique de l’installation, prolonge la durée de fonctionnement du compresseur, améliore le rendement du compresseur et supprime le risque qu’il soit bloqué par l’anti-court cycle.

On dimensionne un ballon tampon de telle sorte que son stockage corresponde à 5 à 10 minutes de la consommation en eau.

La variation de vitesse du compresseur

C’est une autre solution avantageuse en plein développement : soit un moteur d’entraînement à deux vitesses, soit un entraînement à vitesse variable. Cette dernière technique est sans aucun doute à recommander actuellement. Le régime de vitesse s’adapte à la puissance de réfrigération souhaitée. Par exemple, un variateur de fréquence génère une tension dont la fréquence varie entre 20 et 60 Hz. S’il s’agit d’un moteur prévu pour fonctionner à 1 500 tours à 50 Hz, il tournera entre 600 et 1 800 tours/min selon les besoins.

Pourquoi la limitation à 20 Hz ? Un défaut de lubrification du compresseur peut apparaître à basse vitesse, mais les constructeurs améliorent les systèmes régulièrement et trouvent des solutions.

Cette technique de variation de puissance par la variation de vitesse du compresseur (encore appelée INVERTER) entraîne :

un confort élevé (bonne stabilité de la température à l’évaporateur car régulation de la pression à l’aspiration du compresseur),
un rendement énergétique supérieur aux autres techniques de régulation de puissance, car on ne détruit pas le rendement volumétrique, on givre moins (en chambre frigorifique), on limite les dépassements de consigne de régulation propres aux systèmes de régulation tout ou rien (liés au différentiel de régulation),
une réduction du bruit et des vibrations,
un cos phi élevé (entre 0,95 et 0,98), ce qui permet d’éviter des pénalités ou le placement de condensateurs de compensation.

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Le supplément de coût (si un compresseur coûte 100, sa version avec variateur de vitesse tournera entre 150 et 180) sera rapidement amorti par l’économie d’exploitation. Il ne sera plus nécessaire de prévoir un démarrage « étoile-triangle » puisqu’un démarrage « en douceur » est réalisé par le variateur.

A priori, les différents types de compresseurs peuvent être équipés de cette technique (exceptés les petits compresseurs hermétiques), mais s’il s’agit de greffer un variateur sur un matériel existant, une consultation préalable du fabricant sera bienvenue (risque de défaut de lubrification).

Cette technique est également intéressante pour les compresseurs à vis (énergétiquement plus efficace que la régulation par tiroir), mais des troubles de lubrification et un échauffement du moteur peuvent apparaître à vitesse réduite.

La mise à l’arrêt de cylindres

Méthode assez répandue parmi les techniques de découpage de la puissance, il est possible de jouer avec la mise hors-service des cylindres (ce qui peut s’adapter sur une installation existante).

Avantage : pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.

Inconvénients :

Ce réglage est énergétiquement moins favorable; les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 %, par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.
La variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance).
L’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

À cet égard, le réglage par un étranglement dans la conduite d’aspiration n’est pas meilleur. On modifie alors la puissance de réfrigération en agissant sur le débit du réfrigérant.

L’injection des gaz chauds

Quant au réglage de la puissance du compresseur par injection des gaz chauds dans l’évaporateur ou à l’entrée du compresseur, il faut le qualifier de « pur anéantissement d’énergie ». Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, ils provoquent un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système aberrant hors service dans les installations existantes.

C’est le compresseur qui travaille sur lui-même. On pourrait tenter l’image suivante : une pompe remonte de l’eau de la cave vers le rez-de-chaussée. Si l’eau vient à manquer, on risque de faire caviter la pompe. Aussi, on décider de redescendre de l’eau vers la cave, de réinjecter de l’eau supplémentaire à l’entrée de la pompe. Ainsi, on est sûr que le débit de la pompe restera suffisant !

Attention à l’injection de gaz chauds rencontrée en climatisation sur des groupes avec un compresseur n’ayant pas de système interne de régulation de puissance, utilisé sur des petits chillers et des systèmes à détente directe (roof-top, par exemple) : c’est absolument à proscrire.

(A ne pas confondre avec le dégivrage par injection de gaz chauds, qui est par contre une technique très efficace de dégivrage).

Tableau synthèse de sélection

L’importance d’une mesure préalable !

La mise en place d’une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, si le choix d’un compresseur doit être fait en vue du remplacement d’une machine existante, on placera un simple compteur horaire sur l’alimentation électrique du compresseur actuel pour ainsi connaître son temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Cela permettra de mieux choisir la nouvelle machine frigorifique.

Si l’installation doit vaincre les apports d’une machine spécifique à enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut être trompeuse : à certains moments, c’est la puissance totale qui est demandée, et zéro le reste du temps… Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.

Type de compresseur		Plages de puissance (kW frigorifiques)	Régulation adaptée
	Compresseur rotatif	10 W maximum (climatiseurs individuels, petits refroidisseurs d’eau)	Variation de la vitesse de rotation Régulation admission gaz à l’aspiration La tendance est d’associer deux ou plusieurs compresseurs sur une même machine *()**
	Compresseur scroll	de 3 à 40 kW par compresseur (mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs)	Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en « centrale »
	Compresseur à piston
	Ouvert	quelques dizaines de kW à plus de 1 000 kW	Étanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd’hui
	Semi-hermétique	de quelques dizaines de kW à quelques centaines de kW	Un compresseur à plusieurs étages ou plusieurs compresseurs en cascade (« centrale ») Variation de la vitesse de rotation
	Hermétique	de quelques kW à plusieurs dizaines de kW	Régulation type « marche/arrêt » commandée par thermostat d’ambiance ou sur circuit d’eau. Tendance actuelle : plusieurs compresseurs en cascade (« centrale »)
	Compresseur à vis	de (20) 100 à 1 200 kW	Excellente fiabilité et longévité Modulation de puissance par « tiroirs » très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP par la régulation « par tiroirs », du moins au-dessus de 50 % de la puissance.
	Compresseur centrifuge (ou turbo-compresseur)	de (600) 1 000 à 4 000 kW	Modulation de puissance optimale limitée à 35 %, par prérotation du fluide frigorigène à l’entrée de la roue. ()**

(*) pour les compresseurs rotatifs, la modulation de puissance s’opère par modification du débit de fluide frigorigène, soit en faisant varier la vitesse de rotation du compresseur, soit en régulant l’admission des gaz à l’aspiration. Le rendement énergétique est sensiblement conservé à charge partielle, ce qui constitue un avantage important. Pour la même raison que pour les compresseurs à pistons, la tendance est d’associer deux ou plusieurs compresseurs sur une même machine.

(**) Pour les turbocompresseurs,

La variation de la vitesse de rotation ne peut se faire que sur une plage limitée et avec une diminution de rendement du compresseur. Concrètement, la variation de vitesse par moteur asynchrones triphasés est encore onéreuse, aussi la régulation par variation de vitesse n’est envisagée que lorsque le turbo compresseur est entraîné par une turbine à vapeur.

La régulation par modification des pressions du cycle est parfois rencontrée (augmentation de la pression de condensation par augmentation de la température au condenseur, et diminution de la température à l’évaporation en créant une perte de charge à l’aide d’un volet). cette technique est désastreuse sur le plan énergétique. Tout autant que la régulation par injection de gaz chauds à l’aspiration.

Remarque.
Choisir un compresseur performant, c’est bien. Le placer dans un environnement favorable, c’est mieux. En pratique, on sera très attentif aux assembliers qui proposent
« un échangeur + un compresseur + un échangeur ». L’ensemble forme une machine frigorifique, certes, mais les pertes de charge liées aux échangeurs sont parfois très élevées pour le compresseur, ce qui augmente fortement sa consommation !On choisira de préférence une installation globale, montée d’usine et dont le fabricant garantit la performance globale.

Critères acoustiques

En local technique

C’est le compresseur qui génère le plus de bruit, il est donc toujours préférable de le placer en local technique lorsque l’on dispose d’un espace suffisant, tandis que le condenseur refroidi par air est placé en terrasse. Cette solution est la plus adaptée en ce qui concerne la diminution des nuisances sonores vers l’extérieur du bâtiment.

Lorsque les compresseurs sont placés en local technique, ils masquent tous les bruits de détente ou de circulation interne des fluides dans la machine. Pour diminuer les nuisances acoustiques du compresseur, il faut mettre en place les dispositifs suivants :

Mettre un capot acoustique sur la machine.
Prévoir une dalle flottante équipée d’isolateurs à ressorts.
Placer des plots en élastomère entre la machine et la dalle flottante.

Si le groupe évaporateur/compresseur est implanté au-dessus de locaux occupés, on peut placer un matelas de laine de verre entre la dalle flottante et le socle de propreté de la machine.

N.B. : la suspension anti-vibratile des compresseurs peut ne pas être suffisamment efficace car les compresseurs sont reliés aux autres éléments de façon rigide. Ainsi, on utilisera des manchettes souples pour relier l’évaporateur aux canalisations du réseau hydraulique.

En terrasse

Si on ne dispose pas d’un local de service, évaporateur, compresseurs et condenseur seront placés en terrasse. Mais, sur le plan acoustique, ce type de disposition est toujours à éviter.

Dans tous les cas, il faudra éloigner au maximum les compresseurs de tous les plaignants potentiels.

Remarquons que l’éloignement de la machine impose des longueurs de canalisations plus importantes, ce qui peut avoir une influence sur le dimensionnement des équipements (collecteurs, pompes, …) et augmenter le coût de l’installation.

Il faudra éviter de placer les compresseurs à proximité de parois qui pourraient augmenter sa directivité vers une zone sensible. Au contraire, il faudra envisager de placer la machine de façon à la cacher derrière un obstacle. Ainsi, en terrasse, on pourra placer la machine derrière la cabine d’ascenseur ou profiter de la présence de l’armoire électrique de la machine, par exemple.

Remarque.

Si la réduction des nuisances acoustiques est un critère important, le placement d’un variateur de vitesse sur le compresseur (qui se justifie déjà pour des raisons énergétiques) est incontournable.

Certains variateurs peuvent être paramétrés pour « sauter » la(les) gamme(s) de fréquence qui génère(nt) des vibrations du compresseur (fréquences de résonance de la machine). Simplement, il ne s’arrête pas sur ces fréquences critiques.

À titre d’exemple, voici quelques niveaux sonores donnés par un fabricant de groupes refroidisseurs de liquide (pression sonore mesurée à 10 m en champ libre en dBA).

– machines équipées de compresseur scroll hermétique :

Puissance comprise entre 17 et 35 kW : 43 dBA
Puissance comprise entre 38 et 100 kW : 55 dBA
Puissance comprise entre 101 et 200 kW : 61 dBA
Puissance comprise entre 201 et 245 kW : 65 dBA

– machines équipées de compresseur à piston semi-hermétique :

Puissance comprise entre 245 et 540 kW : 57 dBA
Puissance comprise entre 541 et 740 kW : 60 dBA

– machines équipées de compresseur à vis :

Puissance comprise entre 280 et 600 kW : 68 dBA
Puissance comprise entre 601 et 1215 kW : 71 dBA

Posted By : Sylvie Rouche 9 Mai, 2019

Géothermie [Le chauffage – PAC]

Principe

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

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

On appelle cela du « géocooling ».

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

On parle alors de « géothermie ».

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

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

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

Technologie des sondes géothermiques

Les systèmes fermés et ouverts

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

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

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

Source : Rehau.

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

Forages géothermiques

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

Source : REHAU.

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

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

Variantes : Sondes coaxiales en acier

Les forages géothermiques présentent une série de contraintes comme :

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

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

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

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

Source : www.hakagerodur.ch

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

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

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

Source : Thermo-pieux.

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

Source : geo-green.

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

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

Pieux géothermiques

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

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

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

La crèche de l’ile aux oiseaux de Mons.

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

Nappes horizontales

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

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

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

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

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

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

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

Source : SANA FONDATIONS sprl.

Cas particulier : le puits canadien

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

Techniques

Pour en savoir plus sur le puits canadien.

Schémas de principe

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

Free cooling direct

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

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

Recharge du sol par pompe à chaleur réversible

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

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

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

Systèmes ouverts

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

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

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

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

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

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

Exemples d’installations

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

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

Unités terminales associées

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

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

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

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

Exemple d’îlot rayonnant.

(Source : Interalu).

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

Convecteurs surdimensionnés

Étude d’un projet de géothermie

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

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

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

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

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

Pour exemple, voici quelques données moyennes :

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

Puissances traditionnelles extractibles.

Source Rehau.

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

Source : Group Verbeke.

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

Dimensionnement de l’échangeur de sol

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet

(Rédaction : 2014)

En région wallonne

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

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

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

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

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

Le formulaire XVIII doit notamment comprendre :

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

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

En région bruxelloise

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

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

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

Les forages ne sont, eux, pas classés.

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

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

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

Pour les systèmes géothermiques fermés (sondes verticales) :

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

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

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

La technique de forage prévue pour le placement des sondes.

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

Le plan reprenant de manière claire l’emplacement des installations (PAC et champ de sondes).

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

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

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

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

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

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

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

Pour les systèmes géothermiques ouverts :

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

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

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

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

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

La température de réinjection maximale prévue.

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

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

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

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

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

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

Découvrez cet exemple de géothermie et géo-cooling dans un centre de formation.

noeud constructif - energie plus Belgique

Posted By : Sylvie Rouche 7 Mai, 2019

Traiter les nœuds constructifs en rénovation

Généralités

Lorsqu’on construit un bâtiment neuf bien isolé, il est important de réaliser des nœuds constructifs thermiquement acceptables (PEB-conformes) en assurant la continuité de la couche isolante, en interposant des éléments isolants, ou en prolongeant au maximum le chemin que la chaleur doit parcourir avant d’atteindre l’extérieur.

En rénovation, le renforcement de l’isolation thermique des parois accentue l’impact relatif des déperditions par les nœuds constructifs s’ils ne sont pas traités. Dans ce cas, rendre les nœuds constructifs thermiquement performants peut se révéler difficile. La difficulté dépendra essentiellement de la méthode d’isolation a posteriori choisie :

Posted By : Sylvie Rouche 11 Avr, 2019

Nœuds constructifs dans le cadre d’une transformation

Comment éviter les ponts thermiques dans l’enveloppe d’une école rénovée ?

L’école de Bütgenbach après les travaux. — L’école de Bütgenbach après les travaux (Source MATRICIEL).

Une école à Bütgenbach a été complètement transformée entre 2013 et 2015. Les travaux ont été réalisés dans le cadre de l’action Bâtiment Exemplaire en Wallonie. Toutes les mesures raisonnables ont été prises pour rendre ce bâtiment le plus performant possible en matière d’utilisation rationnelle de l’énergie.

L’enveloppe a donc été particulièrement bien isolée. Les techniques d’isolation d’un bâtiment existant sont souvent complexes et les raccords entre les parois délicats à réaliser. Comment ces nœuds constructifs ont-ils été conçus pour réduire les risques de ponts thermiques

Introduction

En 2013, il a été décidé de rénover une partie des bâtiments de l’école de Bütgenbach devenus vétustes et d’y adjoindre une salle de sport. Un des bâtiments existants sera, quant à lui, transformé en ferme didactique. Le projet a été confié au bureau des architectes associés Damien Franzen, Olivier Henz, Eddy Wertzet Madeline Demoustier– FHW.

A l’école communale fondamentale existante, a été intégrée une école spéciale d’un village voisin.
La Région germanophone de Belgique a en effet décidé de mettre ainsi en pratique la pédagogie d’inclusion des enfants handicapés. Terminée, l’école accueillera 350 enfants.

Le maître de l’ouvrage a la volonté que les bâtiments neufs et rénovés répondent au standard passif, c’est-à-dire que le besoin en chauffage soit inférieur à 15 kWh/m².an et que l’étanchéité à l’air atteigne un niveau n50 ≤ 0.6 vol/h. Pour cela, il est indispensable d’isoler thermiquement les parois extérieures et de rendre celles-ci le plus étanche possible à l’air. Si pour les bâtiments neufs cela ne pose généralement pas de problème, c’est par contre beaucoup plus difficile en rénovation à cause de la nécessité d’adapter les solutions techniques à la configuration des éléments existants conservés notamment à l’endroit des raccords et liaisons.

Le bâtiment

L’organisation intérieure des locaux a été complètement revue pour que les classes anciennement orientées vers la cour de récréation bruyante soient réorientées vers d’autres directions.

Un nouveau volume annexe, situé entre la cours de récréation et les deux bâtiments principaux, liaisonne ces deux ci tout en donnant accès aux différents locaux.
Une nouvelle salle de sport est construite de l’autre côté de la cours de récréation de manière à former avec les bâtiments de classes un U autour de la cour de récréation.

Les locaux ont également été adaptés pour répondre à certaines exigences liées aux caractéristiques d’une école spéciale dans le domaine thérapeutique (kinésithérapie, ergothérapie, logopédie, …)

Plan du bâtiment, situation existante. — Situation existante.

A : Cour de récréation

Bâtiment de classes à transformer
Bâtiment de classes à transformer
Bâtiment RTG à transformer en ferme didactique
Bâtiment RTG à démolir
Restaurant à conserver
Centre PMS à conserver

Avant les travaux – le bâtiment 3 (RTG), future ferme didactique. (source : FHW)

A : Cour de récréation

Bâtiment de classes transformé
Bâtiment de classes transformé
S : Nouvelle salle de sport
L : Nouvelle liaison entre les bâtiments de classes

La ferme didactique n’est pas visible

En bleu : Existant transformé
En rouge : Parties neuves

Les différents modes d’isolation prévus

Les techniques d’isolation ont dû être adaptées à chaque cas particulier. Etant donné qu’il s’agit d’une rénovation comprenant des bâtiments existants de types différents et des parties totalement neuves, le nombre de solutions adoptées est très élevé. Ainsi, on compte 13 compositions de toitures différentes, 18 compositions de murs et 8 compositions de planchers inférieurs.

Nous allons seulement en étudier une partie, les plus significatives en surface. Dans tous les cas, les performances atteintes en matière d’isolation sont très élevées.

1. Isolation par l’extérieur de façade existante à l’aide de 30 cm de mousse de polystyrène expansé recouverte d’un crépi (850 m²)

Schéma explicatif sur l'isolation par l’extérieur couverte d’un crépi. — Isolation par l’extérieur couverte d’un crépi.

Mur existant
30 cm de mousse de polystyrène (EPS)
Crépi

Copie d'écran du calcul du coefficient de transmission thermique U (logiciel PEB). — Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.

Photo de la façade existante avant travaux. — Façade existante.

Photo de la mise en place de l'isolation. — 30 cm de mousse de polystyrène expansé (EPS).

Photo de la mise en place du crépi. — Crépissage.

Photo de la façade terminée. — La façade terminée.

2. Isolation par l’extérieur de façade existante à l’aide de 16 cm de mousse de polyuréthane en deux couches croisées dans des structures en bois recouvertes d’un bardage en ardoises artificielles (530 m²)

Schéma explicatif de l'Isolation par l’extérieur avec bardage. — Isolation par l’extérieur couverte d’un bardage.

Mur existant
Montants 60 x 100
10 cm de mousse de polyuréthane entre montants en bois
6 cm de mousse de polyuréthane en continu
Lattage vertical 24 x 48
Lattage horizontal 24 x 48 et bardage en ardoises artificielles

Photo de la façade existante durant les travaux. — La façade durant les travaux.

Photo de la façade façade isolée terminée. — La façade isolée terminée.

3. Isolation par l’extérieur de façade existante par placement d’une contre-paroi à ossature bois remplie de 36 ou 40 cm de flocons de cellulose qui ferme également les baies existantes non conservées. (200 m²)

Schéma explicatif du mur rideau à ossature bois. — Mur rideau à ossature bois.

Panneau intérieur en OSB
Montants d’ossature en bois 360 mm en forme de I
36 cm de cellulose insufflée entre montants en bois
Panneau extérieur en OSB
Lattage vertical 24 x 48
Lattage horizontal 24 x 48 et bardage en ardoises artificielles

Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.

Photo de la pose des caissons. — La pose des caissons.

Photo de la façade isolée terminée. — La façade isolée terminée.

4. Isolation par l’extérieur de nouvelle façade en pré-mur de béton de la salle de sport à l’aide de 20 cm de mousse de polyuréthane en deux couches croisées dans des structures en bois recouvertes d’un bardage en plaques de fibre-ciment (400 m²)

Schéma explicatif sur l'isolation par l’extérieur avec bardage. — Isolation par l’extérieur couverte d’un bardage.

Nouveau mur en béton coulé entre pré-murs
Montants 60 x 100
10 cm de mousse d polyuréthane entre montants en bois
10 cm de mousse de polyuréthane en continu
Lattage vertical 24 x 48
Lattage horizontal 24 x 48 et bardage en panneau fibro-ciment

Photo des pré-murs de la salle de sport. — Pré-murs de la salle de sport.

5. Isolation de plancher existant des combles par 50 cm de flocons de cellulose (950 m²) ou par 50 cm de mousse de polyuréthane projetée (1050 m²)

Schéma explicatif sur l'isolation du plancher des combles. — Isolation sur le plancher des combles.

50 cm de mousse de polyuréthane projetée ou de flocons de cellulose
- a Plancher des combles existant en béton armé
- b Entraits de charpente existante avec plaques de plâtres
Faux-plafond acoustique

Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB (cas de gauche).

Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB (Cas de droite).

6. Nouvelle toiture plate sur la salle de sport comprenant deux couches isolantes 18 cm de mousse résolique en toiture chaude et 18 cm de flocons de cellulose sous le support en panneau de bois (450 m²)

Schéma explicatif sur l'isolation de la nouvelle toiture plate du hall de sport. — Isolation de la nouvelle toiture plate du hall de sport.

Lestage gravier 5 cm
Etanchéité souple EPDM
18 cm de mousse résolique
Panneau support en OSB
Gitage entre poutres en bois lamellé collé
18 cm de cellulose insufflée entre gites
Freine vapeur à µ variable
Lattage
Plafond
Poutre en bois lamellé collé

Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.

Photo du plafond de la salle de sport. — Plafond de la salle de sport.

Comment ont été réalisés les raccords des surfaces isolées avec les éléments contigus ?

Voici quelques détails techniques qui montrent que le principe de continuité de la couche isolante a été respecté. Tous ces nœuds constructifs sont PEB conformes et sont pris en compte dans l’augmentation forfaire de trois points du niveau K.

Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et un châssis existant conservé

Enlèvement du seuil en pierre existant
Pose d’un nouveau seuil en aluminium avec isolant sous-jacent en contact avec le châssis conservé
Isolation du mur existant par l’extérieur
Crépis sur l’isolant

Raccord châssis existant avec nouvel isolant crépi – vue en coupe (source Arch. FHW).

Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et un nouveau châssis

Enlèvement du châssis existant
Pose d’un nouveau châssis en contact avec le nouvel isolant
Isolation du mur existant par l’extérieur
Crépis sur l’isolant
Ragréage du plafonnage intérieur et pose de l’étanchéité à l’air

Raccord nouveau châssis avec nouvel isolant crépi –vue en coupe (source Arch. FHW).

Angle de murs isolés par l’extérieur avec bardage et descente d’eau pluviale encastrée

Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose d’une première ossature en bois d’une épaisseur de 10 cm
Pose de l’isolant en mousse de polyuréthane entre les montants en bois
Pose d’une deuxième couche continue de 6 cm de mousse de polyuréthane sauf à l’endroit de la descente d’eau pluviale
Contrelattes fixées à travers la deuxième couche d’isolant aux montants de la première couche
Lattage horizontal fixé aux contrelattes
Bardage en ardoises artificielles

Angle isolé par l’extérieur avec bardage et descente d’eau pluviale encastrée – vue en plan (source Arch. FHW).

Raccord de mur isolé par l’extérieur avec un nouveau châssis

Enlèvement du châssis existant
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose du nouveau châssis en contact avec les ossatures isolantes
Isolation du mur existant par pose de mousse de polyuréthane entre montants en bois
Pose d’une deuxième couche continue de 6 cm de mousse de polyuréthane
Contrelattes fixées à travers la deuxième couche d’isolant aux montants de la première couche
Lattage horizontal fixé aux contrelattes
Bardage en ardoises artificielles
Ragréage du plafonnage intérieur et pose de l’étanchéité à l’air

Raccord nouveau châssis avec nouvel isolant sous bardage – vue en plan (source Arch. FHW).

Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et la toiture en pente existante

Enlèvement de la gouttière existante
Fixation d’une nouvelle échelle de corniche sous la corniche en béton existante
Pose d’un nouveau support pour couverture en zinc en bas de versant
Pose de la nouvelle couverture en zinc en bas de versant
Pose d’une nouvelle gouttière en zinc
Pose d’isolant dans la nouvelle échelle de corniche et sous la nouvelle couverture en zinc
Raccord de l’isolant sous corniche avec le nouvel isolant à crépir de la façade
Pose d’une plaque en fibro-ciment pour parachèvement du dessous de la corniche
Pose de 50 cm d’isolant sur le plancher des combles avec remontée le long de la poutre de rive
Remplissage d’isolant entre l’ancienne corniche en béton et la sous-toiture existante.

Raccord toiture existante avec façade existante – vue en coupe (source Arch. FHW).

Raccord entre une nouvelle façade à ossature bois et un nouveau châssis coulissant avancé

Enlèvement du châssis existant et du seuil en pierre
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose de la nouvelle façade légère en caissons bois préfabriqués
Pose d’isolant entre les caissons et la structure en béton
Pose du nouveau châssis coulissant avec son seuil à l’avant de la nouvelle façade
Finitions intérieures y compris étanchéité à l’air
Pose du bardage avec les lattages devant les caissons

Raccord façade à ossature bois avec châssis avancé – vue en coupe (source Arch. FHW).

Raccord entre une nouvelle façade à ossature bois et un nouveau châssis en retrait

Enlèvement du châssis existant et du seuil en pierre
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose de la nouvelle façade légère en caissons bois préfabriqués
Pose d’isolant entre les caissons et la structure en béton
Pose du nouveau châssis coulissant avec son seuil à l’avant de la nouvelle façade
Finitions intérieures y compris étanchéité à l’air
Pose du bardage avec les lattages devant les caissons
Pose d’une plaque de finition sous le linteau de la façade légère

Raccord façade à ossature bois avec châssis en retrait – vue en coupe (source Arch. FHW).

Raccord entre la nouvelle toiture plate et la nouvelle façade du hall de sport

Ces deux éléments étant neufs la continuité de la couche isolante ne pose pas de problème.

Raccord entre la toiture plate et la façade du hall de sport (source Arch. FHW).

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par les auteurs du projet, les architectes associés Damien Franzen, Olivier Henz, Eddy Wertz et Madeline Demoustier (FHW) dans le cadre du concours Bâtiment exemplaire Wallonie.

Nous avons également consulté l’expert nommé par la Région wallonne pour vérifier les travaux : MATRIciel. Notre interlocuteur fut Monsieur Thomas Leclercq.

Posted By : Sylvie 7 Sep, 2018

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

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.

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.

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 !

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

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 E_W. 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 U_w déclaré compris entre 0,91 et 0,99 W/m²K suivant leur type et leurs dimensions. Le U_g 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 (U_w = 1.5 W/m²K et U_g = 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 :

Respecter les U_max.
Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
Ne pas dépasser le niveau E_W maximum spécifique au bâtiment concerné.
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.
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)	U_max(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 :

1. - 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.

Posted By : Sylvie 28 Août, 2018

Géothermie et géo-cooling dans un centre de formation

Une alternative économique pour le refroidissement des locaux.

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 :

Respecter les U_max.
Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné.
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.
Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB.

1. Respect des U_max

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 U_max 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)	U_max(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 E_W ≤ (90/45)

Le niveau E_W calculé est de E_W33 < E_W45 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.

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 ?

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 :

Respecter les Umax.
Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné.
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.
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 E_W ≤ (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).

Mur existant isolé par l’extérieur
Toiture existante isolée par l’extérieur et végétalisée
Nouveau mur à ossature bois
Nouvelle toiture compacte
Nouveau mur isolé par l’intérieur et l’extérieur
Mur extérieur existant isolé par l’intérieur
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 -> λ_i = 0.021 W/mK
Cellulose et laine de bois -> λ_i = 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 U_max = 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.

Posted By : Sylvie 6 Juil, 2018

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.

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

Respecter les U_max.
Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs
Ne pas dépasser le niveau EW maximum spécifique au bâtiment concerné
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
Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB

1. Respect des U_max

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 :

Option A : méthode détaillée
Option B : méthode des nœuds PEB conformes
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 E_w 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 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

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

« 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 :

Les châssis en aluminium thermiquement très conducteur doivent être recouverts par l’isolant.
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.
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.

U_max
- Vitrage : Ug ≤ 1.1 W/m²K
- Façade légère : Ucw ≤ 2 W/m²K
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.

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.
Une grande partie de la façade légère ne sera pas démontée. Cela réduit l’impact des travaux et les surfaces devant être ouvertes.
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

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.
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.
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.
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 :

Les parties existantes sont conservées (structure, vitrages, isolant entre les vitrages).
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.
La structure portante du bardage constituée de montants en bois est fixée par des plats métalliques à la structure existante en aluminium.
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.
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.
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 U_max et/ou R_min des éléments modifiés et neufs et le respect des règles en matière de ventilation.

U_max 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.

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).

Les murs recouverts d’un cimentage extérieur ont une couche isolante de 18 cm de mousse de polystyrène expansé (EPS).

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.

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 ?

Respecter les U_max.
Ne pas dépasser le niveau K maximum en tenant compte de l’impact des nœuds constructifs.
Ne pas dépasser le niveau E_W maximum spécifique au bâtiment concerné.
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.
Installer un comptage énergétique pour chaque unité PEB.

1. Respect des U_max

Les U_max 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 U_max 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 U_max.

⇓

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

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 :

Option A : méthode détaillée ;
Option B : méthode des nœuds PEB conformes ;
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 :

λ_{élément intermédiaire}≤ 0,2 ^W⁄mK
R_{élément intermédiaire}≥ min⁡(^{R_isolant 1⁄}₂ ; ^{R_isolant 2}⁄2)
ou R_{élément intermédiaire} > ^2m²K⁄_W
d_contact ≥ 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 :

λ_{élément intermédiaire}= 0,12 ^W⁄_mK ≤0,2 ^W⁄_mK -> V
R_{élément intermédiaire} = 0,30/0,12 = 2,50 ^m²^K⁄_W ≥ min⁡(_0,13/^0,023⁄ 2;^0,20/_0,025 ⁄2) -> X
ou R_{élément intermédiaire} = ^0,30/_0,12 = 2,5 ^m²K⁄_W > 2 ^m²K⁄_W -> V
d_contact = 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 E_W ≤ (90/45)

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

Ainsi l’exigence E_w 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 E_W 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 E W 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.

La crèche ne comprend qu’une seule unité fonctionnelle « soins de santé, sans occupation nocturne ». L’exigence E_W est donc E_W90.

Le calcul des performances du bâtiment à l’aide du logiciel PEB donne pour résultat E_W71. Cette valeur est bien inférieure au critère E_W à respecter.

4. Respect des règles de ventilation

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 = U_max)

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 U_max.

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

	Valeur initiale	Valeur finale	Delta [points]
K [/]	26	34	+8
E_W [/]	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 U_max permet de respecter les critères K (K35) et E_W (E_W90).
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 E_W.

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 U_PAROI augmente, plus on est mal isolé et donc plus il faudra chauffer le bâtiment. Par contre si U_PAROI 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 U_PAROI = 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 U_PAROI = 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 U_g = 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 U_g du vitrage devient supérieur au U_f 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 E_W

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

U_VITRAGE [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 E_W. 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
E_W [/]	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.

Option A : méthode détaillée ;
Option B : méthode des nœuds PEB conformes ;
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 E_W.

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

	Option C	Option B	Delta [points]
K [/]	26	19	-7
E_W [/]	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 E_W. 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 E_W.

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 E_W 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 :

En vert : niveau d’étanchéité obtenu en faisant une véritable expertise (0 < v₅₀ < 2)
En orange : niveau d’étanchéité obtenu en faisant une conception judicieuse et une mise en œuvre soignée (2 < v₅₀ < 6)
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’E_W 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 E_W 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’E_W 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]	E_W [/]
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’E_W. 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 E_W. 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.

Découvrez cet exemple de bâtiment « très basse énergie » : les halls de tri chez BPOST.

Posted By : Sylvie 19 Juin, 2018

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 λ_D 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 λ_ui 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

Posted By : Sylvie 7 Juin, 2018

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]

* 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 ».

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…

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.

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.

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).

Posted By : Sylvie 7 Juin, 2018

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

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

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.

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 !

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 E_spec 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 !

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.

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.

Posted By : Sylvie 6 Juin, 2018

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

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 (= U_max).

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 U_g vaut 1.1 W/m²K.
Suivant leur configuration, les fenêtres ont un coefficient de conductivité thermique U_w 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 U_W des fenêtres ne peut pas dépasser 1.5 W/m²K (= U_max).

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 : U_max = 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.

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.

Plénum de pulsion des petits auditoires,
plénum de reprise des petits auditoires,
plénum de pulsion des grands auditoires,
plénum de reprise des grands auditoires.
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 :

le fonctionnement du chauffage de manière à obtenir dans les auditoires les températures nécessaires en fonction des occupations horaires ;
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

Posted By : Sylvie 5 Jan, 2017

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 …

Qu’une boucle sanitaire faisait circuler de l’eau chaude en permanence dans les caves du bâtiment administratif engendrant une consommation électrique des circulateurs et une déperdition de chaleur des conduites d’eau chaude inutiles : gain d’environ 1 000 €/an ou 5 400 kWh/an suite à sa coupure.

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

Posted By : Sylvie 3 Jan, 2017

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.

Façade existante.
Fenêtre existante.
Isolation thermique.
Structure en bois.
Bardage extérieur.
Protection solaire.

Coupe horizontale à l’endroit d’une colonne extérieure.

Bâtiment existant.
Fenêtre existante.
Isolation thermique.
Structure en bois.
Bardage extérieur.
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 U_max = 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.

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.
L’isolant thermique (UNILIN / Utherm Wall) possède un agrément technique valable qui confirme son coefficient de conductivité thermique utile λ_U = 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.
La maçonnerie de parement est constituée de briques et de joints. Ces deux matériaux ont des coefficients de conductivité thermique utiles différents. λ_U = 0.81 W/mK pour la brique et λ_U = 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.
La couche d’air verticale entre le mur porteur et le parement est non ventilée. Sa résistance thermique est déterminée par la réglementation PEB.
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 U_max = 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.

Bâtiment existant.
Étanchéité existante conservée.
Nouvelle isolation thermique.
Nouvelle membrane d’étanchéité.
Continuité de la couche isolante.
Structure en bois.
Bardage extérieur.
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.

Finition intérieure : plaque de plâtre 2 x 15 mm.
Espace technique : chevrons + laine de bois 5 cm.
Contreventement et étanchéité à l’air : panneau OSB 18 mm.
Ossature bois 22 cm + isolation cellulose insufflée.
Pare-pluie : fibres de bois 16 mm.
Vide fortement ventilé : lattage vertical.
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 U_max = 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.

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).
Le pare-pluie (SPANOTECH RWH) possède un agrément technique valable qui confirme son coefficient de conductivité thermique utile λ_U = 0.1 W/mK. Son épaisseur est de 16 mm.
Le calcul de la résistance thermique de la couche principale (ossature bois) tient compte de la présence combinée du bois (λ_U = 0.13 W/mK) et de la cellulose (λ_U = 0.038 W/mK).
Le panneau OSB a un coefficient de conductivité thermique utile λ_U = 0.13 W/mK. Son épaisseur est de 18 mm.
Le calcul de la résistance thermique de l’espace technique tient compte de la présence combinée des chevrons en bois (λ_U = 0.13 W/mK) et de la laine de bois STEICO FLEX (λ_U = 0.038 W/mK).
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 -> U_g = 1.0 W/m²K

Fenêtre -> U_w = 1.3 W/m²K

A l’époque des travaux

U_g devait être inférieur à 1.3 W/m²K

U_w 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.

Membrane TPO.
Panneau OSB 22 mm.
Cales de pente + cellulose.
Gîtage en bois + cellulose 22 cm.
Frein-vapeur souple.
Lattage.
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 U_max = 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.

Sol.
Géotextile.
Empierrement.
Sable stabilisé.
Dalle de sol en béton armé 20 cm.
PUR projeté 12 cm.
Chape de béton armé lissé.

Pied de la façade.

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.

Téléphone : 04/2859387
Email : info@helium3.be
Site internet : www.helium3.be/

Posted By : Sylvie 9 Déc, 2016

AEROPOLIS II – des façades-rideaux performantes

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

La répétition n’est pas visible.

Les modules

Composition des modules préfabriqués, parties opaques :

structure porteuse en bois massif (essence douglas);
panneau multiplex perforé;
isolant phonique (20 mm, laine de roche);
membrane étanche à l’air;
isolant (150 mm, Resol3);
panneau de contreplaqué marin (ou bakellisé);
panneau isolant (50 mm, Résol);
tôle;
couche de verre translucide blanc;
exutoires de ventilation horizontaux et verticaux;
étanchéité à l’air (bandes préformées en EPDM);
parclose en aluminium anodisé.

Module opaque.

protection solaire extérieure automatique (persienne);
moustiquaire.

Module semi-vitré.

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.

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.

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 de principe des fixations réglables.

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.

Bandes d’étanchéité verticales en place.

Rainure pour bande d’étanchéité verticale;
bande d’étanchéité horizontale avec bavette.

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.

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.

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.

Gestion de la surchauffe (sources Architecte et Cenergie).

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.
Luminaires à haut rendement
Consommation inférieure à 2 W/m² pour 100 lux.
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).
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.
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.

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.

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.

Le haut du châssis en position ouverte pour la ventilation.

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.

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.

Température intérieure au 4ème étage en été (source Architecte et Cenergie).

refroidissement nocturne;
température haute la nuit;
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.

Courbes des températures lorsqu’il n’y a pas de ventilation intensive de nuit.

(source Architecte et Cenergie).

ventilation de nuit active;
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

Posted By : Energie-Plus 29 Nov, 2016

Optimiser le dégivrage des meubles frigorifiques

Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs

Meuble mixte négatif, meuble fermé négatif et meuble ouvert négatif à ventilation forcée.

Le dégivrage « forcé » par les moyens courants tels que les résistances chauffantes ou par injection de gaz chaud côté circuit frigorifique est un mal nécessaire pour les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs. En général, ce sont les mêmes techniques de dégivrage que les chambres frigorifiques qui leur sont appliquées.

À l’heure actuelle, sur la plupart des meubles de ce type, les équipements de dégivrage sont prévus en standard sous forme de résistances électriques.

La technique, par injection de gaz chaud à l’évaporateur nécessite une installation plus complexe et, par conséquent plus coûteuse.

Paramètres de régulation du dégivrage « forcé »

Un fabricant de meubles frigorifiques renseigne les paramètres de réglage des meubles frigorifiques négatifs. On peut y retrouver des valeurs de réglage standards en fonction de la classe d’ambiance déterminée par EUROVENT, à savoir généralement pour une classe d’ambiance 3 (25°C, 60 % HR) :

Paramètre	Définition	Optimum énergétique
T₀	température d’évaporation [°C]	la plus faible possible
N/24h	le nombre de dégivrage par 24 heures [N/24 heures]	le plus faible possible
T_ter	la température en fin de dégivrage [°C]	la plus basse possible
t_d	la durée de dégivrage [min]	la plus faible possible
t_egout	le temps d’égouttage [min]	le plus faible possible
t_vent	le temps de retard pour redémarrer les ventilateurs [min]	–

Il est bien entendu que tous ces paramètres doivent trouver leur optimum énergétique suivant le type d’application, d’ambiance des zones de vente avoisinantes, …, tout en conservant la qualité du froid alimentaire.

Pour différents modèles de meubles frigorifiques et pour une température d’évaporation T₀ [°C],ces paramètres sont consignés dans le tableau ci-dessous.

Type de meuble négatif	Référence	Type de dégivrage	T₀[°C]	N/24 [N/24 heures]	T_ter[°C]	t_d[min]	t_egout[min]	t_vent[min]
Meuble mixte vertical 3L1	RVF3	électrique	-35	1	5	40	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	électrique	-35	1	15	30	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	gaz chaud	-35	1	10	10	5	5
Meuble vertical vitré 3M1	RVF4	électrique	-10	1	10	10	5	0
Meuble horizontal 3L1	IHF4	électrique et gaz chaud	-35	2	5	45	–	–
Meuble horizontal 3L3	IHF4	électrique	-10	2	10	45	–	–
Source : Costan (Sabcobel)

Il est donc nécessaire de s’assurer que ces consignes soient respectées.

Pré-programmation des dégivrages

Lorsque le magasin est composé d’un nombre impressionnant de meubles linéaires (cas des super et hypermarchés), la programmation des temps de dégivrage doit être décalée dans le temps sachant que l’appel de puissance électrique des compresseurs, pour redescendre les températures des meubles à leur valeur nominale, peut être important. La possibilité de mettre en réseau les régulateurs individuels de chaque meuble avec un superviseur (GTC : Gestion Technique Centralisée), facilite la tâche des gestionnaires techniques des magasins.

La programmation d’un décalage des démarrages des dégivrages dans le temps permet de maîtriser les pointes de courant responsables des pointes quart-horaire excessives alourdissant la facture électrique.

Les meubles frigorifiques positifs

Meuble convection naturel positif (vitrine) et meuble ouvert vertical positif avec rideau d’air en convection forcée.

Pour les applications en froid positif, le « dégivrage naturel » suffit dans la plupart des cas.

À noter qu’en option il est toujours possible de placer des résistances de dégivrage, mais ce serait prêcher contre sa chapelle puisqu’il est possible de s’en passer. Il faut compter de l’ordre de 60 à 70 W/ml pour des résistances électriques simples.

Paramètres de régulation du dégivrage « naturel »

Le principal paramètre de ce type de dégivrage est la durée de dégivrage t_d [min]. Les fabricants par défaut programment des temps de dégivrage maximum de l’ordre de 40 à 45 minutes. Il est nécessaire de choisir une régulation qui permette de réduire les temps de dégivrage en fonction de la classe d’ambiance. Dans la réalité, c’est au cas par cas et suivant le climat interne que va dépendre le temps de dégivrage.

Dans l’absolu, le dégivrage « naturel » est intéressant puisque pendant cette phase :

la production de froid est interrompue;
il n’y a pas de consommation électrique de dégivrage proprement dite.

Pré-programmation des dégivrages

Le même type de programmation décalée que pour les meubles de froid négatif en centralisant toutes les demandes de dégivrage au niveau d’une gestion technique centralisée (GTC) est aussi possible pour les meubles frigorifiques positifs.

Source : Delhaize Mutsaart.

Ici, on visera l’interruption de ou d’une partie de la production de froid couplée avec :

l’arrêt des circulateurs sur une boucle caloporteur. On privilégiera l’arrêt des circulateurs individuels des meubles frigorifiques plutôt que l’arrêt du ou des circulateurs centraux (on parlera alors de pompe de circulation) afin d’espacer dans le temps les dégivrages individuels et, par conséquent, les pointes d’appel de puissance électrique à la fin d’un dégivrage programmé central.

Boucle monotube : arrêt individuel des circulateurs de meuble.

la fermeture de l’alimentation d’une vanne en amont du détendeur.

Boucle caloporteur : fermeture individuelle des vannes d’alimentation des évaporateurs de meubles.

Détente directe : réglage individuel des détendeurs des meubles frigorifiques.

La programmation d’un décalage des démarrages des dégivrages dans le temps permet de maîtriser les pointes de courant responsable des pointes quart-horaire excessives alourdissant la facture électrique.

Exemple.

Le cas d’un hypermarché où la facture d’électricité risque d’être salée de par le non-décalage des débuts de dégivrage sur 150 m de meubles linéaires positifs.

Période d’enregistrement sur 24 heures.

En analysant de plus près, on se rend compte que l’appel de puissance de la journée 430 KW a été enregistré comme pointe quart-horaire à 07h30; ce qui signifie que la facture électrique intégrera cette valeur comme pointe quart-horaire mensuelle. On aurait pu éviter cette pointe en décalant les périodes de dégivrage dans le temps.

Posted By : Energie-Plus 29 Nov, 2016

Choisir le système de dégivrage de la machine frigorifique d’un meuble frigorifique

Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs

Meuble mixte négatif

Meuble fermé négatif

Meuble ouvert négatif à ventilation forcée

Le dégivrage « forcé » par les moyens courants tel que les résistances chauffantes ou par injection de gaz chaud côté circuit frigorifique est un mal nécessaire pour les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs. En général, ce sont les mêmes techniques de dégivrage que les chambres frigorifiques qui leur sont appliquées.

À l’heure actuelle, sur la plupart des meubles de ce type, les équipements de dégivrage sont prévus en standard sous forme de résistances électriques.

La technique, par injection de gaz chaud à l’évaporateur nécessite une installation plus complexe et, par conséquent plus coûteuse.

Paramètres de régulation du dégivrage « forcé »

Paramètre	Définition	Optimum énergétique
T₀	température d’évaporation [°C]	la plus faible possible
N/24h	le nombre de dégivrage par 24 heures [N/24 heures]	le plus faible possible
T_ter	la température en fin de dégivrage [°C]	la plus basse possible
t_d	la durée de dégivrage [min]	la plus faible possible
t_egout	le temps d’égouttage [min]	le plus faible possible
t_vent	le temps de retard pour redémarrer les ventilateurs [min]	–

Pour différents modèles de meubles frigorifiques et pour une température d’évaporation T₀ [°C],ces paramètres sont consignés dans le tableau ci-dessous.

Type de meuble négatif	Référence	Type de dégivrage	T₀[°C]	N/24 [N/24 heures]	T_ter[°C]	t_d[min]	t_egout[min]	t_vent[min]
Meuble mixte vertical 3L1	RVF3	électrique	-35	1	5	40	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	électrique	-35	1	15	30	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	gaz chaud	-35	1	10	10	5	5
Meuble vertical vitré 3M1	RVF4	électrique	-10	1	10	10	5	0
Meuble horizontal 3L1	IHF4	électrique et gaz chaud	-35	2	5	45	–	–
Meuble horizontal 3L3	IHF4	électrique	-10	2	10	45	–	–
Source : Costan (Sabcobel).

Le choix du type de dégivrage (électrique ou gaz chaud) a de l’importance dans le sens où, énergétiquement parlant, l’injection de gaz chaud semble intéressante.

Avantages

Temps de dégivrage plus court;
Température de dégivrage plus faible;
Énergie consommée par le compresseur 3 fois plus faible (pour un COP de 3) qu’une résistance électrique directe;

Inconvénients

Investissement.

Pré-programmation des dégivrages

Les meubles frigorifiques positifs

Meuble convection naturel positif (vitrine).

Meuble ouvert vertical positif avec rideau d’air en convection forcée.

Pour les applications en froid positif, il est possible de se passer du dégivrage « forcé » par résistance chauffante ou « injection de gaz chauds ». Le « dégivrage naturel » suffit dans la plupart des cas.

À noter qu’en option il est toujours possible de placer des résistances de dégivrage, mais ce serait prêcher contre sa chapelle puisqu’il est possible de s’en passer.Il faut compter de l’ordre de 60 à 70 W/ml pour des résistances électriques simples.

Paramètres de régulation du dégivrage « naturel »

Le principal paramètre de ce type de dégivrage est la durée de dégivrage t_d [min]. Les fabricants par défaut programme des temps dégivrage maximum de l’ordre de 40 à 45 minutes. Il est nécessaire de choisir une régulation qui permette de réduire les temps de dégivrage en fonction de la classe d’ambiance. Dans la réalité, c’est au cas par cas et suivant le climat interne que va dépendre le temps de dégivrage.

Dans l’absolu, le dégivrage « naturel » est intéressant puisque pendant cette phase :

la production de froid est interrompue;
il n’y a pas de consommation électrique de dégivrage proprement dite.

Pré-programmation des dégivrages

Source : Delhaize Mutsaart.

Ici, on visera l’interruption de ou d’une partie de la production de froid couplée avec :

L’arrêt des circulateurs sur une boucle caloporteur. On privilégiera l’arrêt des circulateurs individuels des meubles frigorifiques plutôt que l’arrêt du ou des circulateurs centraux (on parlera alors de pompe de circulation) afin d’espacer dans le temps les dégivrages individuels et, par conséquent, les pointes d’appel de puissance électrique à la fin d’un dégivrage programmé central.

Boucle monotube : arrêt individuel des circulateurs de meuble.

La fermeture de l’alimentation d’une vanne en amont du détendeur.

Boucle caloporteuse : fermeture individuelle des vannes d’alimentation des évaporateurs de meubles.

Détente directe : réglage individuel des détendeurs des meubles frigorifiques.

Exemple.

Le cas d’un hypermarché où la facture d’électricité risque d’être salée de par le non-décalage des débuts de dégivrage sur 150 m de meubles linéaires positifs.

Période d’enregistrement sur 24 heures.

En analysant de plus près, on se rend compte que l’appel de puissance de la journée 430 KW a été enregistré comme pointe quart-horaire à 07h30; ce qui signifie que la facture électrique intègrera cette valeur comme pointe quart-horaire mensuelle. On aurait pu éviter cette pointe en décalant les périodes de dégivrage dans le temps.

Posted By : Energie-Plus 29 Nov, 2016

Évaluer l’efficacité énergétique de la stérilisation

Évaluer l'efficacité énergétique de la stérilisation

Isolation des parois

Sur les pertes des parois

En stérilisation, l’isolation des parois revêt toute son importance. En effet, pendant toute une journée d’exploitation, les équipements sont portés à haute température. C’est le cas des parois du générateur, de la distribution et de la double enveloppe où les températures avoisinent les 134 [°C]. À ces températures, sans isolation, les déperditions thermiques sont importantes.

Si on reprend les valeurs de la fiche technique d’un constructeur, les déperditions estimées sont :

Fiche technique du constructeur
Équipement		Type	Unité	Consommation/cycle
Générateur de vapeur	Entrée	eau osmosée	litres	13
	Entrée	électricité	kWh	8,6
	Sortie	pertes des parois	kW	0,8
Distribution	Sortie	pertes des conduites	kW	faibles
Autoclave	Sortie	pertes des parois de la double enveloppe	kW	2,1
Autoclave	Sortie	pertes des parois des portes de la chambre	kW/porte	fermée : 0,5 ouverte : 1,4
Pompe à vide	Entrée	eau adoucie	litres	216
	Entrée	électricité du moteur de pompe	kW	2,2
	Sortie	condensat	litres	229

L’efficacité énergétique d’une isolation peut être évaluée et comparée aux valeurs de la fiche technique du constructeur.

Exemple.

Soit un stérilisateur de section carrée de l’ordre de 400 [L] en contenance d’eau. La surface de l’enveloppe extérieure peut être évaluée à partir de ses dimensions:

côté = 1 [m]; Profondeur = 1,2 [m].

La surface de l’enveloppe est de 1 x 4 x 1,2 = 4,8 m².

Lorsqu’on isole, on prend de la laine minérale dont la conductivité thermique λ est de 0,04 [W/m.K].

On prend les hypothèses suivantes :

La vapeur à l’intérieur des équipements est à une température de 134 [°C].

La paroi extérieure de la double enveloppe est en inox et a une conductivité thermique λ de 25 [W/m.K]; on peut donc considérer que la température à l’extérieur de la double enveloppe est de l’ordre de 134 [°C].

La température à ne pas dépasser pour l’électronique de régulation est de 28 [°C].

La température de contact ne peut dépasser 60 [°C].

Le coefficient thermique d’échange superficiel est de 10 [W/m².K]. Cependant, il peut varier suivant la présence d’une ventilation forcée ou pas, équivalant à prendre plutôt une valeur de 23 [W/m².K].

Sur cette base, on peut calculer :

L’épaisseur d’isolation nécessaire pour ne pas provoquer de brûlure (critère principal des constructeurs).

La déperdition résultant de l’isolation des parois.

Calculs

Pour évaluer ces paramètres.

En faisant varier l’épaisseur de l’isolant, on obtient les résulats suivants :

Pour un coefficient thermique d’échange superficiel de 10 [W/m².K] (sans ventilation forcée) :

Le 1^er [cm] d’isolation de la cuve du stérilisateur diminue les déperditions d’un facteur 3,5; ce qui est énorme. Les centimètres supplémentaires ne servent qu’à réduire la température de contact des parois afin de circonscrire les risques de brûlure en ne diminuant plus beaucoup les déperditions. La difficulté d’isolation d’une cuve de stérilisation réside dans sa complexité de conception; à savoir que les nombreuses connections de la cuve avec le reste du système constituent autant de points faibles d’isolation.

La rentabilité d’isolation dépendra donc essentiellement du surcoût de l’isolation supplémentaire.

Pour une épaisseur d’isolant de 3 cm (comme annoncé par le constructeur), le calcul donne 600 [W] de déperdition.

Pour un coefficient thermique d’échange superficiel de 23 [W/m².K] (avec ventilation forcée) :

Sur le graphique précédent, on voit que le coefficient thermique d’échange superficiel peut faire varier les déperditions et les températures de paroi de manière importante. Les pertes thermiques sont plus importantes.

En comparant les valeurs annoncées par le constructeur et celles calculées on se rend compte qu’il y a une certaine divergence. En effet pour une épaisseur de 5 cm d’isolant et sans ventilation forcée (pour un coefficient thermique d’échange superficiel de 10 [W/m².K]) :

le calcul donne 529 [W],
le constructeur avance 2 100 [W].

Les 1 500 [W] de différence seraient-ils dus à la distribution ou le calcul a-t-il été effectué avec une épaisseur d’isolant de 1 cm?

Sur la production de condensats

Les déperditions à travers les parois se traduisent aussi par la formation de condensats. En effet, de par l’échange de chaleur entre les parois et l’ambiance, la vapeur compense ces pertes en cédant de l’énergie de condensation. Les condensats qui en découlent sont encore chauds mais ont perdu les 4/5^ème de l’énergie initiale contenue dans la vapeur.

Il est certain que plus on isole, moins de condensats seront formés et moins d’énergie perdue à l’égout.

Exemple.

Soit le même stérilisateur que dans l’exemple précédent.

Pour épaisseur d’isolant de 1 et 5 [cm] on calcule les déperditions :

Calculs

Pour évaluer ces paramètres.

Déperditions au travers des parois de la cuve
Épaisseur [cm]	Déperditions [W]	Énergie annuelle perdue [kWh/an]	Coûts annuels [€/an]
1	1 457	1,454 x 4 000 = 5 816	640
5	378	0,377 x 4 000 = 1 508	166

La chaleur libérée par la condensation de la vapeur est :

Q_condensation = h »_{vapeur à 3 bar 134°C} – h’_{eau à 134°C} = 2 727 [kJ/kg] – 561 [kJ/kg]

Q_condensation = 2 166 [kJ/kg]

Sur base de 4 000 [h] de fonctionnement par an, la quantité de condensats est déterminée comme suit :

m_condensats= Déperditions x durée x 3 600 / Q_condensation

La chaleur résiduelle dans les condensats est de :

Q_{résiduelle_cond} = m_condensatsx h’_{eau à 134°C} / 3 600

On obtient les résultats suivants :

Déperditions annuelles au travers des parois de la cuve
Épaisseur [cm]	Condensats formés [kg]	Chaleur résiduel [kWh/an]	Coûts [€/an] avec 0,11 [€/kWh]
1	9 600	9 666 x 561 / 3 600 = 1 506 [kWh]	166
5	2 400	2 506 x 561 / 3 600 = 390 [kWh]	43

Conclusion

L’isolation des parois a plus d’impact sur les déperditions à travers les parois que sur l’énergie que l’on pourrait retirer des condensats.

Récupération de l’énergie des condensats

Après avoir isoler les équipements de manière optimale, l’énergie résiduelle contenue dans les condensats est-elle valorisable ?
Avant toute chose, il faut distinguer deux types de condensats :

Les condensats propres de la distribution et de la double enveloppe qui ne sont pas contaminés car ils n’ont pas transité par la chambre de stérilisation.

Les condensats contaminés évacués par la pompe à vide de la chambre de stérilisation.

Certains constructeurs prévoient de récupérer les condensats de la distribution et de la double enveloppe par gravitation en plaçant le générateur sous la double enveloppe. Cette manière de procéder est intéressante car la chaleur résiduelle des condensats produits participe positivement dans le bilan en réduisant l’énergie électrique nécessaire à la production de vapeur.

Quant aux condensats issus de la chambre de stérilisation, pas de chance, ils sont mélangés à un grand débit d’eau froide dans l’anneau liquide de la pompe à vide; ce qui signifie que l’énergie résiduelle que l’on pourrait encore tirer de l’effluent de sortie de la pompe à vide n’est pas valorisable.

Théories

L’étude approfondie sur le bilan énergétique, montre qu’une partie non négligeable de l’énergie initiale de la vapeur produite dans le générateur se retrouve sont forme de condensats issus de la pompe à vide (de l’ordre de 50 à 64 %).

Le hic, c’est que l’enthalpie du mélange des condensats et de l’eau de l’anneau liquide est faible (de l’ordre de 150 [kJ/kg] ou même moins). En d’autres termes l’énergie de la vapeur initiale s’est totalement dégradée :

h »_{vapeur à 3 bar 134°C} = 2 727 [kJ/kg]

h’_{eau à 134°C} = 561 [kJ/kg]

h’_{eau sortie de pompe} = 150 [kJ/kg]

Le rapport énergétique est de l’ordre de 18; ce qui montre bien que l’énergie contenue dans l’eau de sortie de la pompe à vide n’est pas récupérable. Cette perte d’énergie est principalement liée aux impératifs de fonctionnement de la pompe à vide qui exige des températures faibles d’eau de service pour des vides poussés.

Donc le schéma idéal ci-dessus serait bien trop coûteux à réaliser pour le peu de bénéfice à en retirer.

Récupération sur les débits d’appoint d’eau de la pompe à vide

On pourrait croire qu’il vaut mieux ne rien faire. Pas du tout !

On peut diminuer la consommation d’eau qui alimente l’anneau liquide de la pompe à vide.

Gestion du débit d’eau de la pompe à vide

Vu la nécessité de disposer d’un débit d’eau important à basse température au niveau de l’alimentation de la pompe à vide pour obtenir un vide poussé, plusieurs systèmes ont été envisagés, tout en gardant le même débit dans la pompe, de manière à réduire le débit d’appoint d’eau brute adoucie.

On parlera ici de l’évaluation de l’efficacité,

des circuits semi-ouverts,
des circuits fermés.

Circuits semi-ouverts

Théories

Pour en savoir plus sur le calcul de la quantité d’eau d’appoint dans le circuit semi ouvert.

L’évaluation théorique de ce système donne une réduction de l’ordre de 30 % :

de la consommation d’eau de service,
des pertes d’énergie par rejet à l’égout.

Circuits semi-ouverts

Théories

Pour en savoir plus sur le calcul de la quantité d’eau d’appoint dans le circuit fermé.

L’évaluation théorique de ce système donne une réduction de l’appoint d’eau de l’anneau liquide de la pompe à vide élevée. Il est risqué de donner une valeur précise de réduction sachant que les cycles de fonctionnement de la pompe à vide sont particulièrement fluctuants en température. En effet :

En début de phase de prise de vide, les températures risquent d’être élevées. À cet instant, le risque que l’échangeur ne soit plus suffisant est présent; ce qui signifie qu’il faut un appoint d’eau brute.

En fin de phase, les températures redeviennent normales puisqu’il n’y a pratiquement plus de vapeur ni de condensats à évacuer (l’échangeur suffisant à refroidir l’eau de l’anneau liquide).

Certains constructeurs annoncent 75 % de réduction de consommation d’eau.

Posted By : Energie-Plus 27 Oct, 2016

Mesurer l’éblouissement

Introduction

Deux métriques décrivant l’éblouissement dû à la lumière naturelle sont utilisées couramment et inclues dans certains outils de conception. Ce sont le Daylight Glare Index (DGI) et le Daylight Glare Probability (DGP).

Le DGI décrit la sensation d’éblouissement sur une échelle alors que le DGP décrit la probabilité qu’une personne soit gênée par un éblouissement provenant de la lumière naturelle.

Cette dernière métrique fût développée sous des conditions de lumière naturelle et a montré dans plusieurs cas qu’elle est mieux corrélée avec la perception d’éblouissement dû à la lumière naturelle que le DGI.

L’ensemble du contenu de cette page provient du rapport « Energy audit et inspection procedures » réalisé lors de la sous-tâche C de la tâche 50 de l’AIE (Agence Internationale de l’Énergie). Pour plus d’information, le rapport complet des méthodes d’audit et procédure d’inspection peut être téléchargé ici en français.

Le Daylight Glare Probability (DGP)

Le Daylight Glare Probability (DGP) est une approche pour prédire l’éblouissement d’inconfort pour des environnements de type locaux de bureaux.

Le DGP est un indice d’éblouissement, qui utilise l’éclairement vertical de l’œil (de manière à considérer un effet de saturation de l’œil) ainsi que les sources individuelles de haute luminance (telles que le soleil et ses réflexions spéculaires) pour estimer la proportion de personnes insatisfaites. Des simulations basées sur les données climatiques ou des procédures de calcul simplifié du DGP permettent d’évaluer la fréquence d’occurrence de situations éblouissantes. Ceci permet d’évaluer le comportement annuel de l’environnement visuel.

L’équation du DGP est une formule empirique connectant des quantités physiques directement mesurables (luminance des sources, éclairement vertical au droit de l’œil, ange solide formé par la source éblouissante, luminance de l’arrière-fond, etc.) avec l’éblouissement ressenti par les sujets. Les variables importantes sont :

L’éclairement vertical au niveau de l’œil : cette valeur joue un rôle majeur dans l’expérimentation de l’éblouissement des places de travail éclairées naturellement. De plus, cette valeur est aussi utilisée de manière à tenir compte de l’adaptation de l’œil au niveau d’éclairement ambiant.
La luminance de la source d’éblouissement. Dans le cas de fenêtres : la luminance du ciel vu au travers de la fenêtre (plus la source ou le ciel est brillant, plus l’index est haut).
L’angle solide sous-tendu par la source. Dans le cas de fenêtres : la taille apparente de la surface de ciel visible depuis l’œil de l’observateur (plus la surface est grande, plus l’indice est haut).
La position angulaire de la source par rapport à la ligne de vue de l’observateur. Dans le cas de fenêtres : la position du ciel visible dans le champ de vision (plus il est loin de la direction centrale de vision, plus l’indice est petit).

DGP = 5,87.10^-5 x E_v + 9,18.10^-2 x log( 1 + ∑_i[ (L_s,i² x ω_s,i) / (E_v^1,87 x P_i²) ] ) + 0,16

Avec :

E_v: l’éclairement vertical de l’œil [lux]
L_s: la luminance de la source [cd/m²]
i : le nombre de sources éblouissantes
P : l’indice de position [-]
ω_s : l’angle solide de la source [-]

Le DGP peut être appliqué à tout espace intérieur éclairé naturellement et dans lequel les tâches sont comparables à des tâches de bureau. Dans le cas de positions de travail multiples, la position la plus défavorable en termes d’éblouissement devrait être investiguée. Ces positions sont habituellement proches de la façade et/ou là où on peut s’attendre à une vue directe vers le soleil, lorsqu’il se trouve bas sur l’horizon.

De manière à éviter l’éblouissement d’inconfort pour des espaces de type bureaux, le DGP (Daylight Glare Probability) pour la direction de vision principale ne devrait pas excéder une valeur de 0.45 durant 5% du temps d’occupation. Le Tableau suivant résume les catégories de valeur du DGP.

Critères d’éblouissement	Daylight Glare Probability
L’éblouissement est le plus souvent non perçu	DGP ≤ 0,35
L’éblouissement est perçu mais le plus souvent non dérangeant	0,35 < DGP ≤ 0,40
L’éblouissement est perçu et souvent dérangeant	0,40 < DGP ≤ 0,45
L’éblouissement est perçu et souvent intolérable	0,45 < DGP

Une autre possibilité est d’utiliser une valeur seuil (DGPt) pour différents niveaux de protection de l’éblouissement.

Recommandation pour un niveau de protection à l’éblouissement	DGPt	Maximum d’excédant permis durant le temps d’usage de référence
Minimum	0,45	5 %
Moyen	0,40	5 %
Élevé	0,35	5 %

La sensibilité à l’éblouissement augmente avec l’âge. De plus, la variation de perception de l’éblouissement entre personnes est large. Le DGP ne devrait pas être appliqué aux situations pour lesquelles on soupçonne que l’éclairement vertical n’est pas un bon, indicateur de la perception d’éblouissement. Ces situations incluent ; une tâche positionnée loin de la fenêtre, les surfaces de vente des magasins, des halls sportifs et des espaces profonds et sombres avec des très petites fenêtres.

Le Daylight Glare Index (DGI)

Le Daylight Glare Index DGI (ou équation d’éblouissement de Cornell) est une version modifiée du « British glare index BGI », pour prédire l’éblouissement venant des fenêtres. L’équation est exprimée comme suit :

DGI = 10 log( 0,48 x ∑_i [ (L_s^1,6 x Ω_s^0,8) / (L_b + 0,07 x ω_wi^0,5 x L_wi) ] )

Avec

L_s : la luminance de source(s) d’éblouissement [cd/m²]
L_b : la luminance de l’arrière-plan [cd/m²]
L_w : la luminance moyenne pondérée de la fenêtre, en fonction de la surface relative du ciel, des obstructions et du sol [cd/m²]
i : le nombre de sources éblouissantes
Ω_s : l’angle solide sous-tendu par la fenêtre [sr]
ω_s : l’angle solide sous-tendu par la source d’éblouissement, modifié par la position de la source en considérant le champ visuel et l’indice de position de Guth [sr].

Le DGI exprime la magnitude d’éblouissement et sa valeur est définie comme :

Critères d’éblouissement	Daylight Glare Index
Juste imperceptible	16
Juste acceptable	20
Juste inconfortable	24
Juste intolérable	28

Le DGI a été développé dans des conditions d’éclairage électrique et son applicabilité pour des sources d’éblouissement dispersées de même que pour des sources d’éblouissement de grande superficie n’est pas claire. Il ne tient pas non plus compte d’un effet de saturation de l’œil.

Posted By : Energie-Plus 18 Oct, 2016

Simuler l’éclairage

Introduction

Les méthodes et outils pour la rénovation de l’éclairage des bâtiments devraient rencontrer les besoins des architectes et des concepteurs d’éclairage, qui sont focalisés sur des « solutions d’éclairage » ; ils devraient également satisfaire ceux des ingénieurs en service des bâtiments, qui sont centrés sur « la résolution de problèmes ». Les deux approches devraient contribuer de manière efficace à :

Donner du support aux utilisateurs concernant la description du projet de rénovation de l’éclairage ;
Permettre des évaluations de performance de solutions alternatives de rénovation ;
Promouvoir le choix des solutions de rénovation optimales ;
Utiliser les métriques appropriées à l’évaluation des performances énergétiques et d’éclairage, et de confort visuel.

Le nombre de méthodes simplifiées et d’outils de simulation avancés permettant l’évaluation de métriques d’évaluation de l’éclairage et du confort visuel est actuellement élevé. Certaines d’entre elles peuvent être appliquées à la fois à l’éclairage naturel et électrique, permettant une approche intégrée pour les procédures de rénovation en matière d’éclairage. Certaines méthodes permettent l’évaluation de performances énergétiques annuelles et en éclairage de projets de rénovation de grands bâtiments, sur un simple PC.

Nous distinguons ci-après quatre types d’outils :

Les outils de diagnostic globaux;
Les outils de DAO (dessin assisté par ordinateur) et CAO (conception assistée par ordinateur);
Les outils de visualisation;
Les outils de simulation.

L’ensemble du contenu de cette page provient du rapport « Methods and tools for lighting retrofits : State of the art review » réalisé lors de la sous-tâche C de la tâche 50 de l’AIE (Agence Internationale de l’Énergie). Pour plus d’information, le rapport complet d’analyse des méthodes et outils pour la rénovation de l’éclairage des bâtiments peut être téléchargé ici en français.

Les outils de diagnostic globaux

Voici une liste (non exhaustive) d’outils de diagnostic globaux pour la rénovation :

EPIQR+

EPIQR+ est la dernière version d’un software basé sur la méthode EPIQR développée entre 1996 et 1998 dans le contexte du programme Européen de recherche Joule II et soutenu par l’Office Fédéral Suisse pour l’éducation et la Science.

L’objectif de cet outil est d’aider les experts à réaliser un diagnostic systématique d’un bâtiment existant en vue d’estimer son état de dégradation et d’élaborer différents scénarios de rénovation. Les outputs de l’outil incluent une liste de travaux et d’actions ainsi que leurs coûts associés et leurs effets sur la consommation énergétique du bâtiment.

Le logiciel permet :

D’établir un enregistrement complet des informations permettant de décrire l’état général du bâtiment à rénover.
D’élaborer un diagnostic des conditions physiques et fonctionnelles du bâtiment.
De déterminer en détail la nature des travaux requis.
D’estimer le pourcentage probable de rénovation du bâtiment (± 15%).
D’optimiser la consommation énergétique du bâtiment, après rénovation.
De prendre les mesures nécessaires de manière à corriger les désordres relatifs à la mauvaise qualité de l’air et le confort intérieur.
De comparer les différents scénarios d’intervention tout en prenant en compte l’âge des éléments du bâtiment et l’évaluation des coûts en fonction du planning des travaux (planning d’investissement).
D’explorer les possibilités d’augmentation de la valeur d’utilisation du bâtiment (après rénovation).

Le principe est de faire une inspection complète du bâtiment, en suivant un chemin systématique, qui permet d’en réviser son entièreté (observations visuelles sans échantillon destructif ou consultation de spécialiste).

À la fin du processus, EPIQR+ donne une vue d’ensemble du statut du bâtiment et offre la possibilité de faire évaluer l’impact de divers scénarios de rénovation. Le coût et la performance énergétique de chaque scénario permet à l’utilisateur de prendre une décision justifiée sur le processus de rénovation.

Site internet de référence : www.epiqrplus.ch

LOTSE ENERGIEEFFIZIENTE INNENBELEUCHTUNG (Guide à l’efficacité énergétique de l’éclairage intérieur)

Avec son interface conviviale et facile à comprendre, le « Guide à l’efficacité énergétique de l’éclairage intérieur » fournit principalement des pistes d’information sur la rénovation énergétique efficace des systèmes d’éclairage. Les informations données dépendent du groupe cible sélectionné et sont organisées selon les phases d’un processus de rénovation. Une estimation grossière des potentiels d’économie d’énergie et de CO₂ sont également fournies.

L’information est organisée en blocs que l’on doit sélectionner, structurés selon les phases d’un projet de rénovation typique : analyse de l’état actuel, planning, financement, approvisionnement et maintenance. Le nombre, contenu et niveau de détail de ces différents blocs dépend du groupe cible, qui doit être sélectionné par l’utilisateur lors de la première étape.

Ensuite, avant d’entrer dans la section informative, il existe une option d’évaluation rapide. Sur base d’une procédure très simplifiée de calcul, une estimation des potentiels de gains énergétiques est donnée, dépendant des inputs suivants : type de bâtiment (bureau, stock ou production), taille du bâtiment, âge du système d’éclairage, coûts électriques et nombre d’heures d’opération annuelles.

Site internet de référence : www.lotse-innenbeleuchtung.de

OPTOMIZER

OptoMizer fournit les outils nécessaires pour effectuer un audit d’éclairage complet, précis et détaillé. Le logiciel gère un nombre illimité de projets et d’audits, de locaux et de prix. Il gère aussi un nombre illimité de configurations de luminaire, de calendriers d’occupation et de données détaillées afin de permettre un audit, espace par espace.

Un suivi détaillé des subventions est inclus afin de permettre aux utilisateurs de profiter au mieux de celles-ci et d’encourager au maximum les économies d’énergie.

OptoMizer permet d’envisager toutes les techniques d’éclairage nécessaires et permet d’analyser les possibilités d’économie d’énergie en détail en tenant compte de l’impact carbone et des coûts.

Une fois que l’audit initial a été réalisé et que les données ont été collectées dans OptoMizer, le concepteur d’éclairage peut préserver son audit original comme audit de type « modèle » et cloner l’audit entier en un audit « construction ». Comme le projet de rénovation réel prend place, les changements réalisés peuvent être intégrés dans l’audit « construction ». Cela permet au concepteur de réaliser des comparaisons simples entre l’audit « modèle » et « construction » une fois que le projet est terminé.

Site internet de référence : www.fdlabs.com

ReLight – un outil efficace pour une inspection in-situ des installations d’éclairage et l’identification du potentiel de rénovation

L’objectif de la nouvelle application reLight, pour appareils mobiles tels que les tablettes et les smartphones est de réaliser une inspection à vue et d’analyser plus facilement les systèmes d’éclairage existants.

Elle offre aussi d’autres fonctions de consultance en énergie, telles que des comparaisons de coûts.

Une évaluation du système d’éclairage existant est réalisée par comparaison visuelle et à partir d’une simple description qualitative des proportions du local et du type de façade. En quelques minutes, cela conduit non seulement à une analyse du système d’éclairage existant mais en même temps à des suggestions de rénovation appropriées, incluant un relevé séparé des coûts liés aux différentes propositions.

Site internet de référence : www.relightapp.de

Les outils de DAO et CAO

Voici une liste (non exhaustive) d’outils de dessin assisté par ordinateur (DAO) et/ou de conception assistée par ordinateur (CAO) :

3dsMaxDesign

Le software 3dsMax est développé par Autodesk et est un outil de conception 3D complet. Depuis 2009, Autodesk propose également 3dsMAxDesign. Les deux softwares partagent la même technologie et ont les mêmes fonctionnalités clés. Cependant, alors que 3dsMax est principalement utilisé par des développeurs de jeux vidéo, 3dsMAxDesign est plus adapté aux architectes, concepteurs et ingénieurs. Il permet de réaliser des simulations précises de l’éclairage naturel et artificiel, en conditions statiques, sous ciel CIE couvert ou clair. L’intégration du modèle de ciel de Perez dans le logiciel permet aussi à l’utilisateur d’évaluer son modèle sur base du fichier météo du lieu considéré (simulations dynamiques). On peut également réaliser des animations à partir des images de visualisations créées par ces simulations.

Pour les simulations dynamiques, 3dsMaxDesign utilise le même fichier météo que celui employé par le logiciel EnergyPlus (fichier .epw). Ces fichiers météos sont disponibles (sur le site web du Département de l’Énergie des USA) pour plus de 1000 localisations aux USA et plus de 1000 localisations dans 100 autres pays. Il permet au software de modéliser les conditions d’éclairage naturel pour chaque heure de l’année.

3dsMaxDesign est un outil destiné à être utilisé lorsque le projet est déjà à un stade avancé de la conception car cela peut prendre assez de temps de créer le modèle géométrique précis, d’introduire les informations concernant les matériaux utilisés et de définir le type de ciel considéré. Les utilisateurs doivent suivre un processus bien défini en vue de calculer des valeurs précises.

L’usage de 3dsMaxDesign devrait être réservé à des spécialistes en éclairage car les résultats obtenus devraient être analysés avec un œil critique. En effet, on trouve certains bugs dans le software qui conduisent parfois à des résultats très surprenants (c.-à-d. des valeurs de FLJ plus hautes que 100 % dans 3dsMaxDesign 2013).

Site internet de référence : www.autodesk.com

AUTODESK AutoCAD

AutoCAD permet de développer des dessins vectoriels en 2D ou en 3D et de créer des visualisations 3D. Des rendus de haute qualité peuvent être créés avec la suite AutoCAD.

En fournissant un espace de mise en page connecté à l’espace du modèle, le software est utilisable pour la création de présentations. Il est possible d’améliorer la modélisation sous forme de plan (ajouter la géolocalisation, extraire des isolignes) ou les capacités de design d’AutoCAD en 3D (formes libres) grâce à des plugins additionnels. Il est aussi possible de connecter le workflow entre un ordinateur de bureau, le cloud et des solutions mobiles.

AutoCAD a été développé pour être utilisé à tous les stades de conception du bâtiment ; de l’esquisse et l’avant-projet à la modélisation avancée en 3D ou au plan d’exécution.

Il est utilisé par les architectes, les ingénieurs et les concepteurs aussi bien pour produire des dessins techniques que pour développer une visualisation du bâtiment et des rendus.

Les principaux bénéfices sont le développement et la présentation de dessins techniques et d’exécution 2D ainsi que le développement de modèles 3D de niveau de complexité moyen. Il existe une grande variété des librairies CAO/DAO disponibles sur le Web et contenant des objets et des éléments de construction pouvant être inclus dans le software.

Site internet de référence : www.autodesk.com

Rhinoceros

Rhino permet de modéliser toute sorte de forme, du dessin 2D simple à la forme 3D la plus complexe.

L’interface de Rhino est simple et intuitive et permet une visualisation contemporaine ainsi que le contrôle de vues en plans, en élévation et en perspectives.

Chaque vue peut être translatée, tournée et zoomée de manière indépendante des autres.

Rhino peut être utilisé à toutes les étapes de conception du projet, se prêtant aussi bien à créer un prototypage rapide 3D pour un premier essai qu’à développer des modèles 3D très précis, destinés à la production industrielle. Le software est destiné aux architectes, designers et ingénieurs en architecture et en construction et est approprié pour le design industriel.

Les fabricants d’appareils domestiques et de bureau, de mobilier, d’appareil médical et d’équipement de sport, de chaussures et de bijoux utilisent Rhino pour créer des formes libres.

La force de Rhino réside en sa capacité à créer des formes libres complexes. Les outils inclus permettent d’extraire des informations détaillées concernant la géométrie et d’analyser et de valider les surfaces créées.

Site internet de référence : www.rhino3d.com

Sketchup

SketchUp est un outil de modélisation 3D simplet et très intuitif qui propose aussi des opérations avancées comme le calcul de superficie et de volume. Les modèles SketchUp peuvent aussi être compatibles avec des outils BIM puisque des étiquettes de schéma peuvent être attribuées aux groupes ou composants du modèle.

Il est aussi possible de créer des composants dynamiques. Les composants dynamiques sont des objets SketchUp qui ont été programmés de manière à se comporter intelligemment. Ces composants intelligents peuvent par exemple être réduits sans être déformés. Ces composants peuvent aussi être programmés de manière à bouger automatiquement ; il s’agit par exemple de portes qui s’ouvrent ou de panneaux solaires qui tournent automatiquement de manière à faire constamment face au soleil.

L’outil « SketchUp Match Photo » permet la création d’un modèle 3D sur base de photographies. Dans SketchUp, il est aussi possible de créer, optimiser et altérer le sol, en 3D.

SketchUp ne modélise pas la lumière naturelle mais son engin de modélisation en temps réel réalise des études précises d’ombrage sur le modèle. Une fois que la localisation du modèle est fixée, la position du soleil peut être déterminée et une étude de la pénétration solaire et/ou de l’efficacité des systèmes d’ombrage peut alors être réalisée.

La possibilité de modélisation de Sketchup en lien avec l’éclairage naturel est sa capacité d’étudier les ombres portées, en fonction de la localisation du bâtiment, de son fuseau horaire ainsi que de la date considérée.

Site internet de référence : www.sketchup.com

Les outils de visualisation

Dans leur pratique de tous les jours, les architectes et designers doivent souvent produire des images de leur propres projets, de manière à fixer leur design, convaincre leurs clients ou gagner une compétition.

Ces images montrent des scènes éclairées (scénarios de jour ou de nuit) incluant des sources de lumière, des couleurs, des textures, des surfaces brillantes etc., en essayant de produire des effets photo réalistes.

Parfois ces images sont produites sur base de photos existantes. Des softwares comme PhotoShop incluent des fonctionnalités spécifiques (effet d’éclairage) à cette fin.

Certains outils CAO contiennent aussi des fonctions spécifiques qui permettent de produire ces images à partir de modèles 3D.

Toutefois, une enquête réalisée dans le cadre de l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) a montré que certaines personnes font des confusions entre la visualisation et la simulation.

Ainsi, bien que les outils de visualisation jouent un rôle important comme base de discussion et peuvent être cruciaux pour montrer la distribution de lumière dans un local, ils ne remplacent en aucun cas les résultats donnés par les programmes de calcul de lumière.

Les outils de simulation

Voici une liste (non exhaustive) d’outils permettant la simulation de l’éclairage à l’intérieur d’un local :

DAYSIM

DAYSIM est un software d’analyse de l’éclairage naturel basé sur le logiciel RADIANCE qui modélise la quantité annuelle d’éclairage dans et autour des bâtiments. DAYSIM permet la modélisation de systèmes de façade statiques et dynamiques. L’utilisateur peut spécifier un système de contrôle de l’éclairage électrique du type d’un interrupteur on/off manuel, un détecteur de présence ou une cellule de gradation de la lumière en fonction des disponibilités de lumière naturelle.

DAYSIM est utilisé par les concepteurs, les architectes et les ingénieurs. Cependant, comme DAYSIM est basé sur RADIANCE, une connaissance minimale de RADIANCE est nécessaire de manière à choisir correctement les paramètres de simulations.

Les résultats de simulation sont les métriques dynamiques basées sur le climat telles que l’autonomie dynamique et l’UDI (Useful Daylight Illuminance), l’éblouissement annuel ainsi que les consommations annuelles d’éclairage électrique, sur base de la puissance électrique installée. DAYSIM permet aussi une définition des horaires d’occupation, des charges internes et du statut des protections solaires qui peuvent être couplées directement avec des engins de simulation thermique tels qu’EnergyPlus, eQuest et TRNSYS.

Daysim ne fournit aucun outil de rendu.

Site internet de référence : www.daysim.ning.com

DIALUX

DIALUX permet de calculer l’éclairement naturel, pour trois types de ciel, parmi lequel le ciel couvert CIE.

DIALUX peut être utilisé à toutes les étapes du projet mais comme il n’inclut qu’un outil de modélisation géométrique simple, il est mieux adapté au stade de l’avant-projet. DIALUX est principalement dédié aux concepteurs d’éclairage mais peut être également utilisé par des architectes.

Le modèle géométrique est réalisé dans le software mais on peut importer des fichiers .dwg ou .dxf pour servir de base au dessin.

Site internet de référence : www.dial.de

DIALUX Evo

DIALUX Evo est le nouveau software qui a été introduit en parallèle avec le software DIALUX et qui remplacera ce dernier dans le futur. DIALUX Evo est avant tout dédié au bâtiment.

L’utilisateur crée sa géométrie dans un espace virtuel. Ce peut être une simple pièce, un étage entier ou même un bâtiment entier ou plusieurs bâtiments situés dans un contexte urbain. Si un concepteur conçoit l’éclairage pour un bâtiment entier, il peut se positionner n’importe où dans ce bâtiment et voir le résultat de son plan.

DIALUX Evo permet des calculs d’éclairage électrique et d’éclairage naturel. On peut y modéliser un ciel clair, moyen et couvert. Les valeurs d’éclairement ainsi que le facteur de lumière du jour peuvent être calculées.

DIALUX Evo est moins intuitif que DIALUX et est probablement plus destiné aux concepteurs d’éclairage qu’aux architectes.

Site internet de référence : www.dial.de

DIAL+ Lighting

DIAL+ permet de soit lancer des simulations d’éclairage (RADIANCE) ou de calculer les charges de chauffage et de refroidissement à l’échelle d’un local.

Le module permet de produire des rapports qui incluent les résultats suivants :

Facteurs de lumière du jour
Autonomie dynamique diffuse (% et heures)
Autonomie pour Minergie-Éco (Suisse)
Valeurs d’éclairement en éclairage électrique
Consommation annuelle d’électricité d’éclairage (SIA 380/4, Minergie)
Diagramme solaire incluant les obstructions extérieures.
Etudes d’ombrage (facteur d’ensoleillement, fraction de ciel vu)
Le module de refroidissement donne accès aux modules suivants : Charges de refroidissement et de chauffage (EN 15251 EN 15255, EN 15265 and ISO 13791, SIA 382/1 SIA 382/2)
Débits d’air dus à la ventilation naturelle (Modèle de Cockroft)

Grâce à sa rapidité de simulation et sa simplicité, DIAL+ est particulièrement adapté à la réalisation d’études paramétriques, ce qui est très intéressant au stade de l’avant-projet. DIAL+ permet de prendre des décisions précoces à l’échelle du local et de les appliquer au reste du bâtiment. DIAL+ est une interface très intuitive qui traite de l’optimisation des charges énergétiques, à l’échelle du local.

L’interface a été conçue de manière à permettre à un utilisateur non expert de décrire facilement les paramètres des locaux. Il peut donc être utilisé par des architectes et des ingénieurs. Il est aussi bien adapté à des objectifs pédagogiques. Cependant, l’utilisation de toutes ses caractéristiques (éclairage et thermique) suppose que l’utilisateur a une connaissance minimale du comportement d’un bâtiment.

DIAL+ contient un modeler 3D simplifié qui permet de modéliser des locaux rectangulaires, en forme de L ou de trapèzes, ayant un toit plat, à simple ou double versant. Des objets opaques ou transparents peuvent être ajoutés à l’intérieur des locaux traités. Le temps moyen requis pour décrire tous les paramètres d’un local classique est de moins de 10 minutes.

Les résultats de simulation sont affichés sous forme de plans 2D et de graphes (FLJ, autonomie, éclairement, etc.) sur le plan de travail ou sur les murs.

Site internet de référence : www.diaplus.ch

DIVA-for-Rhino

DIVA pour Rhino permet à ses utilisateurs de réaliser une série d’évaluation de performance environnementale de bâtiments individuels ou de paysages urbains incluant des cartes de rayonnement solaire, des rendus photoréalistes, des métriques dynamiques en éclairage naturel, des analyses d’éblouissement ponctuel et annuel ainsi que des analyses des charges thermiques de modèles unizones.

Cet outil est destiné aux professionnels du secteur de la construction, tels que les architectes et les concepteurs “lumière” familiers avec les outils de conception par ordinateur. Les données sont principalement introduites grâce à l’interface de modélisation 3D Rhinoceros. Une connaissance de ce logiciel est donc essentielle. Un fichier climatique doit être introduit dans le logiciel et l’analyse de l’éclairage naturel peut ensuite être réalisée, selon une grille de mesures définie par l’utilisateur. Le calcul des différentes métriques ainsi que les rendus visuels peuvent alors être facilement réalisés au travers de l’interface DIVA. Il est cependant utile d’avoir des connaissances avancées de simulations en éclairage naturel car il est nécessaire de modéliser les surfaces de manières à ce qu’elles pointent dans la bonne direction, leur donner les propriété photométriques précises (facteur de réflexion, de transmission, etc), modéliser l’environnement (bâtiments et obstacles) qui affecterons les résultats, et sélectionner les bons paramètres de calcul pour Radiance.

Site internet de référence : www.solemma.net

FENER

Fener est utilisé pour comparer des scenarios en termes de climat, géométrie et systèmes de fenêtres, calculant des métriques dynamiques d’énergie, d’éclairage naturel et d’éblouissement. Les fonctions principales de l’outil sont les suivantes :

Interface conviviale : l’outil guide l’utilisateur dans son introduction de toutes les données requises pour faire tourner FENER. Trois modes différents sont possibles :
- Rapide : données prédéfinies de géométrie et conditions frontières.
- Avancé : permet une flexibilité dans la définition de la géométrie et des conditions frontières
- Expert : permet d’uploader des fichiers de configuration
Base de données : l’outil inclut une base de données à partir de laquelle des données de caractérisation (BSDF et donnée calorimétriques) relatives aux systèmes de fenêtres peuvent être sélectionnées. Des nouveaux systèmes peuvent être uploadés.
Stratégie de contrôle : permet à l’utilisateur de définir des stratégies de contrôle. L’utilisateur peut spécifier une matrice d’états de contrôle dépendant de l’occupation, de l’éclairement, de l’indice d’éblouissement, de la température et du rayonnement.

Autres caractéristiques

Fener peut être utilisé à partir de différents appareils portables
Il inclut une possibilité de visualisation interactive 3D de la géométrie.

L’objectif de cet outil est double :

Faciliter le développement de nouveaux produits de façade par les fabricants de composants de façade.
Quantifier les avantages de choisir l’un ou l’autre système de fenêtre par les architectes et les concepteurs de bâtiment dans les premières étapes de leurs projets.

L’outil n’inclut pas de possibilité de rendu d’éclairement intérieur.

Site internet de référence : www.fener-webport.ise.fraunhofer.de

GERONIMO

Geronimo est un software convivial pour les architectes et les concepteurs « lumière » conçu pour réaliser des simulations d’éclairage naturel pour des ciels clairs et couverts. Il permet aussi de visualiser l’impact de l’utilisation de systèmes de fenêtre complexes (CFS) sur l’éclairage naturel des bâtiments.

Le logiciel est destiné aux professionnels du secteur de la construction, tels que les architectes et les concepteurs « lumière » familiers avec les outils de conception par ordinateur. Trois modes d’analyse sont possibles dans GERONIMO : base, moyen, avancé. Le mode de base permet à tout utilisateur de produire un rendu et le mode avancé permet à un utilisateur spécialisé de contrôler les paramètres RADIANCE.

GERONIMO n’inclut pas de fonctionnalité de modélisation 3D; à la place, il fournit 6 typologies de bureau qui sont représentatives des configurations classiques.

Il est possible de travailler avec des modèles 3D personnalisés dans GERONIMO à condition de savoir comment créer un fichier de modélisation RADIANCE, qui peut ensuite être introduit dans GERONIMO.

GERONIMO ne réalise que des simulations d’éclairage naturel ; l’éclairage électrique n’est pas pris en compte.

GERONIMO permet des réaliser des rendus en « fausse couleur » de l’éclairement et de valeurs d’éclairement pondérées selon son impact circadien. Il permet de calculer le facteur de lumière du jour et affiche les résultats en niveaux de gris, en utilisant une échelle linéaire ou logarithmique. Il peut calculer les risques d’éblouissement et peut afficher différents indices d’éblouissement. Il contient un module de calcul de l’autonomie diffuse en éclairage naturel réalisé à partir d’un rendu simple sous un ciel couvert.

Site internet de référence : leso.epfl.ch

IES VE

« Virtual Environment » est une suite intégrée d’applications liées par une interface commune et un modèle simple d’intégration de données (IDM). Cela signifie que les données utilisées pour une des applications peuvent être utilisées par d’autres.

Les modèles proposés sont par exemple « ApacheSim » pour la simulation thermique, « Radiance » pour l’éclairage naturel et « SunCast » pour l’analyse des ombrages. L’application de modélisation géométrique 3D est « ModelIT ».

ModelIT permet à l’utilisateur de créer les modèles 3D requis par les autres composants au sein de la « Virtual environment ». ModelIT est conçu pour permettre d’intégrer les niveaux de complexité appropriés au modèle global.

A l’étape de pré-design ou lors de l’étude de faisabilité, des modèles basiques peuvent être générés à partir de croquis en utilisant une variété d’outils de modélisation simples, de manière à mener des évaluations préliminaires ou des études comparatives.

Similairement, en fin de processus de conception, les fichiers .dxf représentant précisément le bâtiment peuvent être importés dans ModelIT, de manière à servir de base pour une représentation 3D des espaces.

Le module d’interface pour RADIANCE, RadianceIES, est intégré dans « Virtual Environment ». Il existe deux types d’images créées par Radiance ; les rendus de luminances et d’éclairements. Un rendu d’éclairement peut être utilisé afin de regarder les valeurs en lux et de générer des iso contours en lux ou en Facteur de Lumière du Jour. Un rendu en luminance est utilisé pour évaluer des indices d’éblouissement ou en tant qu’image photo-réalistes. L’interface est conçue de manière à rendre la création d’images la plus facile possible, en se basant sur des hypothèses par défaut quand c’est possible.

Site internet de référence : www.iesve.com

Lightsolve

L’approche générale de Lightsolve est d’apporter une aide en éclairage naturel, dès le stade de l’avant-projet, au travers d’une visualisation interactive et pro-active, de manière à améliorer la performance du design en termes de performances annuelles. Les métriques évaluées dans Ligthsolve diffèrent de celles évaluées dans la plupart des outils de simulation en éclairage naturel de deux manières : elles sont orientées « objectif » et elles placent leur accent sur la variation de la performance de l’éclairage naturel au cours de l’année en utilisant les cartes temporelles.

Actuellement, 5 différents aspects peuvent être évalués dans Lightsolve :

Analyse d’éclairement sur base temporelle
Analyse de l’éblouissement sur base temporelle en fonction de la position de vision (basée sur le DGP)
Analyse perceptuelle du contraste
Analyse de variabilité (contraste au cours du temps)
Évaluation des effets non visuels (santé).

Un calcul de facteur de lumière du jour est également implémenté.

Lightsolve, actuellement sous forme de beta version, a été dévelopé par le LIPID (EPFL) à destination des académiques et pour des raisons de recherche. L’application est disponible gratuitement dans sa version actuelle et sans garantie pour les étudiants, les chercheurs et les praticiens intéressés par l’outil. Comme il n’a pas encore été totalement validé, il est principalement destiné à un usage académique, de manière à collecter le feedback des utilisateurs.

Lightsolve ne fournit pas de fonctionalité de modélisation 3D mais permet d’importer des fichiers waverfront et des fichiers SketchUp.

Grâce à son rendu rapide, il est possible de l’utilisateur pour naviguer librement dans le modèles 3D et d’avoir un premier feedkback visuel des conditions d’éclairage à différents moments du jour et de l’année.

Site internet de référence : www.lightsolve.epfl.ch

RADIANCE

RADIANCE est un outil sophistiqué d’analyse et de visualisation de la lumière.

À partir de modèles géométriques 3D, il calcule des résultats corrects physiquement et des rendus de haute qualité (luminance / éclairement sous forme de valeurs et d’images). Des représentations en « fausses-couleurs » ou sous forme d’iso-lignes permettent un affichage compréhensible des résultats.

RADIANCE est le programme de référence pour le calcul de la l’éclairage naturel. Les simulations peuvent être réalisées pour différents types de ciel (clair, uniforme ou couvert) ou pour un ciel quelconque défini en utilisant le modèle de Perez. Un plugin additionnel permet de modéliser les 15 nouveaux types de ciel CIE. Le modèle de Perez sert aussi de base pour les calculs annuels de l’éclairage naturel basé sur les données climatiques du lieu considéré.

Des outils supplémentaires permettant de calculer, par exemple, les indices d’éblouissement, sont également disponibles.

RADIANCE est utilisé par les concepteurs, architectes et ingénieurs pour prédire le niveau d’éclairement et l’apparence d’un espace, éclairés avec différents systèmes d’éclairage électrique et naturel, avant la construction. Les chercheurs l’utilisent aussi afin d’évaluer les nouveaux produits d’éclairage. Le software peut être utilisé à toute étape de la conception d’un bâtiment. Il permet de modéliser une grande variété de géométries spatiales et de conditions d’éclairage.

Site internet de référence : www.radiance-online.org

ReluxPro

ReluxPro propose une interface conviviale qui fournit des possibilités d’importation puissantes des plans d’architecture 2D ou de modèles 3D. ReluxPro possède une base de données de luminaires importante, permet de définir précisément la position des luminaires dans le bâtiment et donne rapidement des résultats sous forme de rendus.

ReluxPro permet aussi de calculer des niveaux d’éclairement. Pour chaque zone d’un bâtiment, les niveaux d’éclairement et les valeurs d’uniformité g1 et g2 peuvent être obtenus. Il est dès lors possible d’obtenir un facteur de lumière du jour dans les locaux d’un bâtiment et de prédire la distribution de lumière naturelle dans le local modélisé. Des valeurs de luminance peuvent aussi être calculées.

Il est destiné au secteur des professionnels de la construction, tels que les architectes et les concepteurs d’éclairage familiarisés avec les outils de conception informatique.

ReluxPro inclut des fonctionnalités de modélisation 3D très faciles d’utilisation. Il est possible de modéliser les meubles et les luminaires, à partir d’une vaste base de données. Les ouvertures de fenêtre ainsi que d’autres éléments tels que des portes, peuvent être ensuite définies dans les murs.

Site internet de référence : www.relux.com

VELUX Daylight Visualizer

VELUX Daylight Visualizer est un outil de simulation professionnel destiné à l’analyse et la visualisation des conditions d’éclairage naturel dans les bâtiments de toute échelle, en incluant le résidentiel, les bâtiments commerciaux, les bâtiments industriels et institutionnels. Il est capable de calculer l’éclairement et la luminance pour les 15 types de ciel définis par la CIE. Il peut aussi calculer le facteur de lumière du jour.

L’interface est intuitive ce qui rend le programme accessible aux utilisateurs débutants ainsi qu’à ceux qui sont plus expérimentés à l’usage des outils de calcul de l’éclairage naturel. Le temps de calcul nécessaire pour réaliser une étude d’éclairage naturel est aussi assez retreint.

Les résultats de simulation sont soit des images photo-réalistes qui peuvent être converties en fausse-couleur ou superposées par des iso-lignes soit des valeurs numériques. En plus des images fixes, le programme peut être utilisé pour créer des animations basées sur la course du soleil.

VELUX Daylight Visualizer est utilisé par les architectes et les ingénieurs pour prédire les niveaux d’éclairement et évaluer l’apparence d’un espace durant la conception d’un bâtiment.

Le programme peut être utilisé au tout début de la conception d’un bâtiment de manière à évaluer la disponibilité et à valider la performance du design final. VELUX Daylight Visualizer est aussi utilisé dans plusieurs écoles et universités pour enseigner l’éclairage naturel.

Site internet de référence : viz.VELUX.com

Comparaison des outils

3ds Max

DAYSIM

DIALUX

DIALUX-EVO

DIAL+

DIVA for Rhino

FENER

GERONIMO

IES VE

Lightsolve

RADIANCE

Relux Pro

VELUX Daylight Visualizer

Informations générales

Interface graphique

Importation DAO

Modèle 3D

Rendu 3D

Calculs Radiance

Calculs Radiance (méthode 3 phases)

Daysim

Photo-mapping

Cible

Adapté pour les architectes

Adapté pour les ingénieurs électriciens

Adaptés pour les ingénieurs HVAC

Adapté pour l’avant-projet

Adapté pour une conception avancée

Éclairage naturel

Valeurs de Facteur de Lumière du Jour

Autonomie en éclairage naturel

Sensible à l’orientation

Simulations basées sur le climat

Valeurs d’éclairement

Valeurs de luminance

Calcul de l’éblouissement

Possibilité de décrire des surplombs/avancées architecturales (fixes)

Possibilité de décrire des systèmes d’ombrage (mobiles)

Possibilité de décrire des obstructions extérieures

Éclairage électrique

Description manuelle des luminaires

Base de données des luminaires

Possibilités d’importer des luminaires (IES, Eulumdat, etc.)

Posted By : Energie-Plus 14 Oct, 2016

Rénovation de l’éclairage du bâtiment principal du CSTC à Limelette

Étude de cas réalisée par le Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC)

Introduction

Les activités de recherche et les laboratoires du Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC) sont implantés à Limelette. En 2015, le bâtiment de bureaux principal du Centre à bénéficié de lourds travaux de rénovation.

L’installation d’éclairage fut un point d’attention majeur de ces travaux de rénovation; l’objectif principal étant d’offrir un confort visuel maximal tout en garantissant des consommations énergétiques minimales.

Couloir après rénovation

La rénovation de l’éclairage du bâtiment du CSTC en quelques chiffres

Une superficie d’environ 2000 m² répartis sur 3 niveaux et un 60 taine de locaux ;
279 anciens luminaires démontés représentant une puissance installée totale de 28 067 Watts ;
387 nouveaux luminaires installés représentant un puissance installée totale de 10 221 Watts ;
Une densité de puissance installée moyenne de 6,6 W/m² dans les locaux de bureaux et de salles de réunion ;
Un gain de 68 % sur la puissance installée pour ces mêmes locaux ;
Des luminaires présentant une efficacité lumineuse atteignant jusqu’à 148 lm/W.

L’installation avant rénovation

Le bâtiment du CSTC est composé de bureaux individuels, de différentes salles de réunion et d’une grande salle de conférence. Il abrite également une bibliothèque, la cuisine ainsi que le mess du personnel.

Avant rénovation

Après rénovation

Les bureaux individuels étaient éclairés par 3 ou 4 luminaires carrés (60×60) encastrés et équipés chacun de 4 tubes fluorescents T8 de 18 W.

Des armoires revêtues d’un plaquage en bois étaient encastrées dans des murs en briques apparentes de teinte jaune. Le sol était composé d’un revêtement souple en linoleum de teinte jaune également.

La commande de l’éclairage était manuelle via un interrupteur permettant allumage et extinction. Le nombre réel d’heures de service des luminaires et la gestion parcimonieuse de leur utilisation selon les besoins était donc entièrement fonction de l’utilisateur.

Pour chaque bureau individuel, la consommation électrique annuelle a été estimée par la méthode PEB à 546 kWh par an, soit l’équivalent d’environ 93 €HTVA et d’une émission de CO₂ de 163 kilos chaque année.

Caractéristiques avant rénovation
Puissance des luminaires	86,4 W
Nombre de luminaires par bureau	3
Superficie moyenne d’un bureau	16,46 m²
Puissance installée	15,7 W/m²
Nombre d’heures d’occupation du bureau	2 341 h/an
Consommation estimée	546 kWh/an

Bureau individuel avant rénovation – Vue vers la façade

L’installation après rénovation

Une attention particulière a été apportée à la gestion de l’éclairage : chaque bureau a été équipé d’une détection de présence ainsi que d’une gradation du flux lumineux en fonction de l’éclairage naturel.

Détecteurs

Chaque bureau individuel est à présent équipé de deux luminaires à LED avec diffuseur microprismatique. Le choix de cette optique s’avère particulièrement judicieux pour éviter tout risque d’éblouissement et de reflets gênants, en particulier lors d’un travail sur écran.

La commande de l’éclairage se fait à la fois de manière automatique, via un détecteur de mouvement mais peut également faire l’objet d’une dérogation par l’utilisateur via un simple interrupteur.

Une gradation du flux lumineux s’opère de manière automatique en fonction de l’apport d’éclairage naturel via des détecteurs de luminosité.Ce niveau de gradation peut également être modifié librement par l’utilisateur à l’aide du même interrupteur permettant l’allumage et l’extinction.

Ces luminaires à LED, couplés au système de gestion, permettent d’économiser jusqu’à 81 % d’énergie!

Caractéristiques après rénovation		Économies
Puissance des luminaires	40 W
Nombre de luminaires par bureau	2
Superficie moyenne d’un bureau	16,46 m²
Puissance installée	4,9 W/m²	69 %
Nombre d’heure d’occupation du bureau	2 341 h/an
Consommation estimée	105 kWh/an	81 %

Bureau individuel après rénovation – Vue vers le couloir

Bureau individuel après rénovation – Vue vers la façade

Le cas particulier de la salle de conférence

Avant rénovation

Après rénovation

Dans la salle de conférence, l’amélioration de l’efficacité énergétique des luminaires est maximale avec une puissance installée de 12 442 Watts (soit 39,2 W/m²) avant rénovation et de 1 528 Watts (soit 5,1 W/m²) après rénovation. Ceci représente une amélioration de près de 87%!

Avant rénovation, les 96 luminaires qui étaient installés dans la salle de conférence étaient particulièrement énergivores et comptaient chacun 6 tubes fluorescents de type T8. La puissance installée représentait ainsi 41 % de l’ensemble de la puissance installée de tout le bâtiment.

Après rénovation, 83 luminaires de type downlight ont été installés, intégrant la possibilité de moduler le flux lumineux en fonction de l’ambiance souhaitée. L’amélioration de la puissance installée supérieure à la moyenne a permis de baisser cette proportion à 12 % de l’ensemble de la puissance installée de tout le bâtiment.

La salle de conférence rénovée

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 : Energie-Plus 23 Août, 2016

Évaluer la consommation des équipements électriques

Plages de consommations

L’ADEME a réalisé une enquête en 2015 auprès de 50 entreprises et sue plus de 100 000 appareils pour déterminer en autres les consommations énergétiques des équipements informatiques en milieu professionnel. Elle a ainsi pu chiffrer la consommation annuelle moyenne d’un appareil :

Appareil	Consommation annuelle moyenne [kWh/an]
Téléphone IP	40
PC portable	48
Client léger	65
Imprimante	71
PC fixe	151
Copieur	447
Appareils moins courants
Smartphone	1 à 2
PDA	4
Tablette	5
Pieuvre pour audioconférence – sans fil	10
Tableau blanc interactif	20 à 26
Mini switch de bureau	20 à 33
Badgeuse	39 à 55
Scanner	8 à 110
Fax	9 à 110
Pieuvre audioconférence – filaire	65
Antenne WI-FI	20 à 120
Machine à affranchir	67 à 190
NAS	220
Traceur de plans	170 à 470
Machine de mise sous pli	570
Écran TV	120 à 1470
Gros copieur utilisé en reprographie	350 à 1800

Ces consommations ne permettent donc pas de rendre compte :

du type d’appareil : marque, puissance, etc.
du mode d’utilisation : période de veille, d’arrêt, de fonctionnement, etc.

Le label Energy Star

Les fabricants d’équipement de bureautique peuvent obtenir un agrément auprès de l’Union Européenne pour pouvoir apposer le label Energy Star sur leurs produits.

Ce label signifie que le produit rencontre certaines exigences environnementales.

L’ensemble des appareils labellisé est repris dans une grande base de données sur leur site internet. On y retrouve des appareils tels que :

Les ordinateurs : fixes, portables, clients légers, tablettes, stations de travails, etc. ;
Les écrans : moniteurs d’ordinateurs, cadres photos numériques, affiches de signalisation, etc. ;
Les équipements d’imagerie : copieurs, fax, scanner, imprimantes, etc. ;
Les équipements alimentés sans interruptions (« UPS »);
Les serveurs.

Pour chacun d’entre eux des caractéristiques techniques et de consommations sont renseignées, notamment la puissance en veille ou à l’arrêt mais aussi une estimation de la consommation totale annuelle.

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

Installateur du système solaire
Monsieur Jean-Yves PEUGNIEU
jyp@sunoptimo.com

Posted By : Sylvie 4 Août, 2016

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

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

Posted By : Sylvie 4 Août, 2016

100 % de chaleur verte à la résidence 3ème âge Aux Lilas de Bonlez

Introduction

Totalement rénovée récemment, le choix a été fait de couvrir 100 % de ses besoins en chaleur grâce aux technologies renouvelables.

Le chauffage du bâtiment est assuré par une chaudière à pellets.

60 % à 70 % de la préparation de l’eau chaude sanitaire est assurée par des capteurs solaires, le reste par la chaudière à pellets. Le système de production d’ECS est décrit dans l’étude de cas : 150 m² de capteurs solaires thermiques à la résidence 3ème âge Aux Lilas de Bonlez.

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

Ventilateur à rotation. Il ne crée pas de surpression, mais favorise la combustion par turbulence;
chargement automatique du combustible (ici des pellets);
foyer;
extracteur des fumées;
décendrage interne;
système de recirculation des gaz de fumées/air secondaire régulé;
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

Posted By : Sylvie 2 Août, 2016

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 ?

Informations complémentaires

Cette étude de cas provient d’une fiche réalisée par le facilitateur URE non marchand de Wallonie en 2011.

Posted By : Energie-Plus 14 Juin, 2016

Évaluer un risque de condensation superficielle sur les vitrages

Condensation superficielle côté intérieur

Comment la reconnaître ?

Dans le cas d’un double vitrage, elle se localise dans les coins et sur le pourtour du châssis et du vitrage, à cause des déperditions plus grandes existant dans ces zones par la présence de l’intercalaire du vitrage.

Normalement, la condensation se fera premièrement sur les vitrages et non sur les châssis.
Cependant, la présence de vitrages isolants peut favoriser la condensation de surface sur les châssis surtout si ceux-ci sont en aluminium et sans coupure thermique; leur température peut être plus basse que celle des vitrages.

La présence de condensation intérieure sur les vitrages entraîne

une diminution de la visibilité,
la formation de givre,
des tâches sur les verres, tablettes et allèges, dues aux gouttelettes ruisselantes,
la formation de moisissures sur le mastic et/ou le châssis.

Elle n’est gênante qu’en quantité excessive….

Influence du vitrage sur les risques de condensation superficielle

Lorsque la fenêtre constitue la surface intérieure la plus froide du local, c’est d’abord sur celle-ci que va se former de la condensation superficielle. Celle-ci se forme sur la paroi vitrée sans causer de dégâts, l’air intérieur est asséché et la teneur en humidité de l’air du local (xi) (en g/kg) diminue. De ce fait, le risque de condensation superficielle sur les autres parois diminue.

Un autre avantage d’une telle fenêtre, lorsqu’il n’y a pas de système de ventilation contrôlée et qu’il n’est pas envisageable d’en placer un, est que dès qu’il y a condensation à sa surface, les occupants sont prévenus que l’air est trop humide et qu’il faut ventiler.

Ainsi, il est intéressant d’avoir un vitrage sur lequel la condensation superficielle se forme plus rapidement que sur n’importe quelle autre paroi ou n’importe quel pont thermique présent dans le local.

Exemple.

Dans un local, le pont thermique le plus important a un τ_min de 0,545. Il s’agit d’une terrasse en béton en encorbellement avec isolation (résistance thermique de 1 m² x K/W) intérieure au droit du linteau et entre la dalle et le plancher.

Schéma pont thermique terrasse.

τ₁ = 0,705;
τ₂ = 0,905;
τ₃ = 0,955;
τ₄ = 0,785;
τ₅ = 0,98;
τ₆ = 0,885;
τ₇ = 0,545;
τ₈ = 0,77.

τ_Min = τ₇ = 0,545

Le local est muni de vitrages doubles ayant un coefficient de transmission thermique U de 3,22 W/m²K. Le coefficient d’échange thermique de surface entre le vitrage et l’ambiance intérieure (h_i) = 10 (W/m²K).

La condensation superficielle va-t-elle se former d’abord sur les vitrages ou sur le pont thermique ?

Calcul du facteur de température (τ) du vitrage :

τ = [(1/3,22) – (1/10)] / (1/3,22)
τ = 0,68 > 0,545 :

La condensation superficielle apparaîtra en premier lieu sur le pont thermique !

Avec un simple vitrage (U = 7 W/m²k), on aurait eu τ = 0,3 < 0,545 : la condensation superficielle, dans ce cas, se forme d’abord sur le vitrage !

Calcul de la teneur en humidité de l’air du local lorsqu’il y a formation de condensation superficielle sur les vitrages

Remarque : Le texte ci-dessous est extrait de la NIT 153 du CSTC.

De l’humidité est extraite de l’air du local par la formation de condensation.
La teneur en humidité de l’air du local (x_i) sera par conséquent plus basse que s’il n’y avait pas de condensation superficielle.

En supposant qu’on se trouve en régime stationnaire, l’équation hygrométrique du local comportera un terme supplémentaire, à savoir la quantité d’humidité qui condense par unité de temps sur une surface déterminée A (m²) dans le local.

Ce raisonnement conduit à la relation :

avec,

x°_i : le taux d’humidité de l’air intérieur dans le cas où il n’y a pas de condensation superficielle, calculé à l’aide de la formule ci-dessus
x_sA : le taux d’humidité de saturation (g/kg) correspondant à la température superficielle η_oi (°C) de la surface A

Cette relation est démontrée dans l’Annexe de la NIT 153 du CSTC, pg. 77.

L’expression ci-dessus, peut être utilisée dans les conditions suivantes :

x_e < 7 g/kg,
2,5 g/kg < x_sA< 12 g/kg,
10°C < η_i < 20°C.

avec,

x_e : la teneur en humidité de l’air extérieur (g/kg),
θ_i : la température intérieure (°C).

On procède comme suit :

On détermine x_i° à l’aide de la relation ci-dessus.
On détermine x_sA en fonction de la température superficielle du vitrage ou de la paroi la plus froide du local.
Si x_i° > x_sA, il y a condensation superficielle.
On trouve la valeur finale de x_i à l’aide de la relation ci-dessus.

Exemple.

Soit un local muni d’un vitrage de 2 m², η_i = 12°C, D = 0,05 kg/h et nV = 10 m³/h (D/nV = 0,005 kg/m³).

Les conditions extérieures sont η_e = -10°C, φ_e = 90 % -> x_se = 1,60 g/kg.

Admettons que le vitrage de 2 m² soit la surface la plus froide de la pièce.

x_i° = 0,9 x 1,6 + 825 x 0,005 = 5,56 (g/kg)

La température superficielle du vitrage est donnée par la formule :

avec,

θ_i : la température intérieure (°C),
k : (ou U) : coefficient de transmission thermique du vitrage (W/m²K),
h_i : le coefficient d’échange thermique de surface entre le vitrage et l’ambiance intérieure (W/m²K).

Pour un vitrage simple (k = 7 W/m²K) et pour un vitrage double (k = 3,22 W/m²K) avec h_i = 10 W/m²K, on trouve :

θ_oi (vitrage simple) = – 3,40°C -> x_sA = 2,84 g/kg,
θ_oi (vitrage double) = 4,92°C -> x_sA = 5,37 g/kg.

Comme dans le cas d’un vitrage simple, x_sA < x_i, on peut conclure que de la condensation se formera sur les vitres.

On calcule :

xi = (5,56 + 10,48 x 2,84 x 2/10) / (1 + 10,48 x 2/10) = 3,72 g/kg

Remarque.

Il convient d’attirer l’attention sur le fait que la valeur x_i trouvée se situe à un niveau élevé uniquement parce que nous sommes partis d’une situation stationnaire. Une telle situation est rare en réalité et, lorsque de l’humidité commence à se produire à un moment donné, le degré hygrométrique de l’air du local n’augmentera que lentement.

Condensation superficielle côté extérieur

Comment la reconnaître ?

Celle-ci se manifeste d’abord au centre du vitrage, c’est à dire dans la partie la mieux isolée qui reçoit un minimum d’énergie venant de l’intérieur.

On observe ce phénomène :

la nuit ou à l’aube,
par ciel dégagé et par absence de vent,
sur des doubles vitrages à haut rendement.

En effet, dans ces conditions sous l’effet du rayonnement important vers la voûte céleste (surrefroidissement) et des faibles pertes thermiques à travers le vitrage, la température du vitrage peut descendre sous la température de rosée de l’air extérieure, entraînant l’apparition de condensation sur la face extérieure du vitrage.

Ce phénomène est lié au fait qu’avec un vitrage très isolant, la température de leur face extérieure reste très basse, la chaleur interne étant piégée à l’intérieur du bâtiment.

Comment l’éviter ?

Pas de chance, il n’ y a pas moyen! … À moins d’équiper ses fenêtres d’essuies-glace performants !

Consolons-nous, cela constitue une preuve des performances d’isolation des vitrages concernés !

Condensation entre les vitrages

Si on constate la présence de condensation et qu’elle n’est ni sur la face interne du vitrage ni sur la face externe, c’est qu’elle s’est formée à l’intérieur du double vitrage…

Les vitrages isolants sont habituellement garantis contre la formation de condensation interne pendant une durée de 10 ans.

Cependant des désordres peuvent apparaître bien avant en cas de pose inappropriée du vitrage, c’est à dire :

en l’absence de drainage de la feuillure du châssis,
en cas de cales de pose insuffisantes ou mal placées.

La formation de condensation interne au vitrage est plutôt un mauvais signe : cela signifie que le sicatif présent dans l’intercalaire à perdu de son efficacité ou que le scellement n’est plus hermétique. Cela entraîne un remplacement quasi inévitable du vitrage.

Améliorer

Si vous voulez en savoir plus sur le remplacement d’un vitrage.

Posted By : Energie-Plus 14 Juin, 2016

Repérer un problème de condensation superficielle

Distinguer un problème de condensation superficielle d’un autre problème d’humidité

Un problème de condensation se manifeste par des problèmes d’humidité ou/et de moisissure. Remarquons cependant que des moisissures peuvent apparaître même sans condensation de surface. En effet, de la condensation superficielle apparaît chaque fois que l’humidité relative à la surface d’une paroi atteint 100 %, alors que la formation de moisissures sur une paroi peut déjà se produire à partir d’une humidité relative de 80 % si le matériau en contact avec l’air humide est hygroscopique.

Néanmoins, un problème d’humidité ou de moisissure peut avoir une autre origine que la condensation de surface. L’eau à l’origine du problème peut provenir d’une cause extérieure :

d’infiltrations d’eau de pluie,
de la succion d’eau contenue dans le sol (humidité ascensionnelle),
de l’absorption d’eau par les matériaux lors de la construction (humidité de construction),
de fuites dans une conduite ou une descente d’eau, dans un tuyau d’évacuation (humidité accidentelle).

D’autre part, la condensation interne peut aussi être à l’origine de problèmes d’humidité.

Les infiltrations d’eau de pluie

L’eau de pluie est aspirée de l’extérieur vers l’intérieur du bâtiment par capillarité dans les pores du matériau ou s’infiltre par des fisssures, des joints ouverts, etc.

Le tableau ci-dessous permet de distinguer si l’on est en présence d’un problème d’infiltration ou de condensation superficielle :

Infiltrations	Condensations
Les infiltrations se manifestent à travers les couvertures vétustes. Elles sont plus graves en bas de versants et lors de pluies battantes.	Les condensations se manifestent au droit des ponts thermiques (linteaux, corniches, bandeaux, consoles, etc.). Elles apparaissent surtout dans les locaux peu chauffés et mal ventilés ou dans ceux où il y a une production de vapeur importante. Les condensations se forment le plus souvent sur les parois orientées au nord ou à l’est car elles sont plus froides.
Les taches ont, en général, des formes arrondies.	Les taches se localisent, en général, dans les angles et aux endroits mal ventilés (dos du mobilier, …).
Le débit d’eau est en général trop important pour qu’il y ait formation de moisissures.	Très souvent, les condensations s’accompagnent de moisissures.
L’intensité des taches d’humidité passe par un maximum quelques heures après une pluie importante.	Le risque de condensation de surface est plus élevé pendant les longues périodes d’hiver où les températures varient entre 0 et 10°C et en présence d’une humidité relative extérieure élevée (temps de brouillard et de pluie).
L’enduit intérieur se dégrade assez rapidement (décollement et pourriture).	L’enduit se dégrade plus tardivement et uniquement si les condensations sont très abondantes.
Le décollement du papier peint est fréquent.	Le décollement du papier peint est moins fréquent.

* Ce tableau est largement inspiré du tableau page 11 de la brochure : Condensation et moisissures – Service public Wallon/ Aménagement du territoire, Logement, Patrimoine et Énergie (DGO4) / Département de l’Énergie et du Bâtiment durable – Par le Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC).

L’humidité ascensionnelle

L’humidité ascensionnelle résulte de la pression de la nappe phréatique ou de la succion capillaire de l’humidité du sol. De ce fait, les murs s’imprègnent d’humidité jusqu’à une hauteur de 1,2 à 1,5 m. Ce phénomène se manifeste en l’absence de digue horizontale étanche sous la base des murs.

Si le bas de la face verticale des murs est étanche, l’humidité ascensionnelle peut monter plus haut.

Le problème de l’humidité ascensionnelle concerne rarement les toitures sauf les parfois en bas de versant lorsque celle-ci se trouve proche du sol.

L’humidité de construction

L’humidité de construction est la quantité d’humidité présente dans un bâtiment après la fin des travaux de construction. Elle provient de :

L’eau qui est absorbée par les matériaux de construction pendant leur stockage chez le fabricant ou sur le chantier.
L’eau de gâchage nécessaire pour la mise en œuvre des matériaux (mortier, béton, plâtre, etc.).
L’eau qui provient des précipitations pendant la construction.

Il est déjà arrivé, qu’un an après la construction d’un bâtiment, l’on récolte un demi seau d’eau en perçant une alvéole d’un hourdi en béton.

L’humidité accidentelle

L’ humidité accidentelle est l’humidité qui provient d’une fuite dans une conduite ou une descente d’eau, ou d’une évacuation bouchée.

Tableau récapitulatif

Certaines observations permettent de suspecter l’origine des problèmes. Attention, les phénomènes constatés peuvent découler de plusieurs causes qui parfois même se conjuguent et s’amplifient mutuellement. Le tableau ci-dessous aide à réaliser une première analyse.

OBSERVATIONS, PHENOMENES	CAUSES POSSIBLES
OBSERVATIONS, PHENOMENES	Condensation	Pluie battante	Humidité ascensionnelle	Humidité accidentelle
Pas d’aération, mauvaise isolation thermique	x	–	–	–
Humidité de l’air élevée	x	–	–	–
Dégâts limités au N. et au NE.	x	–	(x)	(x)
Dégâts limités au SO. et à l’O.	–	x	(x)	(x)
Les dégâts ne commencent pas d’en bas	x	x	–	(x)
Dommages localisés	x	(x)	(x)	x
Ponts thermiques	x	–	–	–
Dégradation dans les angles	x	–	–	(x)
Sol transpirant	x	–	–	–
Humidité uniquement sur la surface intérieure	x	–	–	(x)
Finition intérieure non poreuse	x	–	–	–
Taches sur la façade extérieure	–	x	x	(x)
Pas ou peu de dépassant de toiture	–	x	–	–
Taches redentées, irrégulières sur la surface intérieure	–	x	–	(x)
Mur creux (correctement exécutés)	(x)	–	(x)	(x)
Efflorescences aux étages	–	x	–	(x)
Efflorescences au niveau du sol	–	–	(x)	(x)
Augmentation de l’humidité en fonction de la hauteur	–	x	–	–
Consommation anormale d’eau	–	–	–	x
Dommage à la toiture, aux gouttières ou aux conduites d’amenée et d’évacuation	–	–	–	x
Humidité sur l’épaisseur totale du mur (intérieur et extérieur)	–	(x)	x	–
Dommages limités à l’étage inférieur	–	–	x	–
Apparition de dommages peu de temps après une période de pluie	–	x	(x)	–
Davantage de dégâts pendant la saison de pluie	x	(x)	x	–

Légende : x : cause possible; (x) : possibilité à ne pas exclure.

* Source : Condensation et moisissures – Service public Wallon/ Aménagement du territoire, Logement, Patrimoine et Énergie (DGO4) / Département de l’Énergie et du Bâtiment durable – Par le Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC).

Un repère : l’année de construction (ou de rénovation) du bâtiment

En général, ce sont surtout les bâtiments datant de la fin des années 1970 et des années 1980 ou ayant été rénovés durant ces années qui présentent des problèmes de condensation et de moisissures.

En effet, depuis la fin des années 1970, l’isolation est devenue chose courante dans le bâtiment. Ce changement dans les habitudes de construction a été induit par le choc pétrolier de 1973.

L’isolation des bâtiments en Wallonie se systématise après 1985, date à laquelle, l’Exécutif régional wallon adopte un règlement thermique imposant une isolation thermique de l’enveloppe des nouveaux logements.

Mais lorsqu’on a commencé à isoler les bâtiments, on a fait beaucoup d' »erreurs de jeunesse » :

On a employé des matériaux inadéquats : par exemple, les coulisses remplies de laines minérales trop souples et non hydrofugées ont provoqué de graves problèmes d’humidité.
On n’a pas soigné la mise en œuvre de l’isolant : par exemple, les coulisses non nettoyées ou une méthode d’élévation des murs creux inadaptée à de nouvelles exigences ont conduit à des défauts d’isolation.
On n’a pas changé la conception des bâtiments, la création de ponts thermiques, résultant d’anciennes pratiques architecturales (exemple : linteau coulé sur place).

Ces défauts ont provoqué des problèmes de condensation superficielle.

De plus, les mesures annexes prises afin de diminuer les consommations, et accompagnant l’isolation ont également favorisé les problèmes de condensation. Ces mesures sont :

la réduction de la température intérieure (dans certaines pièces, le chauffage a même été coupé),
le calfeutrement des portes et fenêtres,
la limitation de l’aération.

Ainsi, très rapidement, l’idée d’isolation fut confondue avec l’idée de calfeutrage et associée à celle d’humidité.

Mais si les bâtiments de cette époque ont particulièrement souffert du manque de connaissance, les problèmes de condensation ne se cantonnent malheureusement pas uniquement à ceux-ci et malgré la maîtrise actuelle de la technique, on retrouve encore des défauts de construction menant tout droit à des problèmes de condensation dans les bâtiments récents.

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

Posted By : Sylvie 31 Mai, 2016

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 kW_th, 494 kW_th et 494 kW_th 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 kW_th et 150 kW_é 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 kW_th et 150 kW_é
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 kWh_{primaire PCI}/an
Consommation d’électricité	845 996 kW_é/an
Situation « après » cogénération (simulations COGENsim)
Consommation de gaz naturel de la cogénération	2 899 826 kWh_{primaire PCI}/an
Consommation de gaz naturel des chaudières	1 382 468 kWh_{primaire PCI}/an
Production de chaleur par cogénération	1 524 843 kWh_th/an
Production d’électricité par cogénération	983 123 kW_é/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 kW_th et 150 kW_é.

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

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

Posted By : Sylvie 25 Avr, 2016

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 :

une électrode de type anode émettrice d’électrons (oxydation);
une électrode de type cathode collectrice d’électrons (réduction);
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.

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^–, O^2-, CO₃^2-) 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 CO₃^2-.
Les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) sont à base d’un électrolyte solide (zircone dopé aux terres rares) afin de produire des ions O^2-.

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 :

C_nH_(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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Posted By : Sylvie 21 Avr, 2016

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.

⁽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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Posted By : Sylvie 13 Avr, 2016

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 :

Cogénération – Outils de calcul et documents associés

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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Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

Évaluer l’intérêt du financement par un tiers investisseur [cogen]

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.

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

Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

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 kWh_é 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 :

Wallex : https://wallex.wallonie.be
CWaPE : http://www.cwape.be

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 MWh_é produit.

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

Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

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 MW_th, dont 44% dans le secteur industriel. La production thermique correspondante est estimée à 458 GWh ;
La puissance électrique est de 67 MW_é, 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 chaleur cogénérée MWh Camembert 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.

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

Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

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 kWh_é d’électricité et 530 kW_th 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/MWh_é.

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

Posted By : Sylvie 11 Avr, 2016

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.

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

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) :

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) :
Son rendement électrique (α_e) à pleine charge :

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.

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Posted By : Sylvie 8 Avr, 2016

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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Posted By : Sylvie 8 Avr, 2016

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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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= (E_enp+E_qnv) / E_e

Le rendement thermique du cogénérateur est le rapport entre la chaleur nette valorisée et l’énergie primaire entrante sur la période considérée :

α_q = (E_qnv) / E_e

Le rendement électrique est le rapport entre l’énergie électrique nette produite et l’énergie primaire entrante sur la période considérée.

α_e = (E_enp) / E_e

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 (MWh_é), 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 (E_ref) 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 (Q_f) 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 = E_ref+ Q + Q_f – F (kgCO₂/MWh_é)

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 (E_ref).

τ = G/E_ref ≥ 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 = ΔE_ref+ΔQ + ΔQ_f – ΔF (kgCO₂/MWh_é)

kCO₂ = ∆G/∆E_ref

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Posted By : Sylvie 7 Avr, 2016

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 :

La maintenance premier niveau : actions simples nécessaires à l’exploitation.
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.
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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Posted By : Sylvie 7 Avr, 2016

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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Posted By : Sylvie 7 Avr, 2016

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.

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.

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.

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).

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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Posted By : Sylvie 7 Avr, 2016

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 kW_é 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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Posted By : Sylvie 7 Avr, 2016

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.

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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Posted By : Sylvie 6 Avr, 2016

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

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

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

Des fréquencemètres branchés au niveau du réseau et du circuit de l’alternateur permettent de comparer si les fréquences sont proches.

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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.

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.

Posted By : Sylvie 6 Avr, 2016

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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Posted By : Sylvie 6 Avr, 2016

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.

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.

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).

La turbine vapeur conviendra particulièrement bien pour des puissances pouvant aller de 10 MW_é à 50 MW_é.

Elle nécessite un grand débit de vapeur d’entrée.

La 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.

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 kW_é).

Microturbine 30 kW_é – 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.

Principe de la turbine.

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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 kW_é.

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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Posted By : Sylvie 5 Avr, 2016

Moteur à combustion interne

Principe dans le cas d’un cogénérateur

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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Posted By : Sylvie 5 Avr, 2016

Moteur à combustion externe

Principe

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 :

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.
Détente du gaz à température constant (isotherme). Le piston se déplace vers le bas.
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.
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 :

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.
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.
Compression isotherme. Le piston moteur remonte et le piston déplaceur se déplace vers le point mort haut.
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

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.

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.
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.
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.
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.

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

Posted By : Sylvie 5 Avr, 2016

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.

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.

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.

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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Posted By : Sylvie 5 Avr, 2016

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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Posted By : Sylvie 4 Avr, 2016

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 (k_éco) 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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Posted By : Sylvie 4 Avr, 2016

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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Posted By : Sylvie 4 Avr, 2016

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 €/kWh_é). 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.

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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

Posted By : Sylvie 31 Mar, 2016

Cogénération [Calculs]

Estimer la rentabilité d’une cogénération – COGENcalc (xlsx)
Un outil de calcul de pertinence avec une précision « la grosse louche » (20 – 30 %).

Outil pour l’extrapolation des données – COGENextrapolation (xls)
Un outil d’extrapolation annuelle d’une mesure de besoins thermiques sur deux semaines.

Simuler le fonctionnement d’une cogénération – COGENsim (xlsm)
Un outil de simulation d’une précision de 10 % par encodage de profils réels de chaleur et d’électricité.

Mode d’emploi COGENsim (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

Posted By : Sylvie 16 Mar, 2016

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.
Q_{non 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 : Q_{non 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.
η_chaufferie : 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 :

U_Q : la durée de fonctionnement d’une chaudière bien dimensionnée pour assurer la satisfaction des BNeC.
U_cogen : la durée de fonctionnement de la cogénération pour assurer la satisfaction d’une partie des BNeC.
Part_cogen : 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 :

P_Qcogen : la puissance thermique de l’unité de cogénération. Si la puissance thermique calculée est trop faible (< 10 kW) le logiciel mentionnera directement 0.
Q_cogen : 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 :

PE_cogen : la puissance électrique de l’unité de cogénération.
η_cogen : le rendement électrique de l’unité choisie.
E_cogen : 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 kW_é alors que dans la pratique, vous aurez à choisir entre un moteur de 60 ou de 80 kW_é. 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 :

E_totale : la consommation annuelle totale d’électricité (en reprenant la somme des consommations en heures pleines et en heures creuses),
Coût E_totale : 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 :

Prix_{moyen achat} : le prix moyen de votre électricité.
E_auto-cons : la part de l’électricité qui sera autoconsommée dans le projet.
E_revente : 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 – Gain_élec.

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 (Gain_élec).

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 (Cons_chaufferie) et le gain sur la facture chaleur (Gain_chaleur) 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 (C_CO₂) et permet le calcul du gain en CO₂ (G_CO2) 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 (Dépense_Comb).

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 » (Inv_{brut 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 (Inv_{net 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

Posted By : Sylvie 16 Mar, 2016

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

Posted By : Sylvie 16 Mar, 2016

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.

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 kW_é pour une puissance thermique de 160 kW_th. 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 kW_é.

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 kWh_é/an, ce qui correspond à la consommation annuelle moyenne d’un ménage.

Les puissances développées sont de 1 kW_é et 6 kW_th. Le complément thermique est donné par la chaudière à condensation qui peut moduler de 6 à 20 kW.

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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 ?

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

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

Besoins importants.
Le cogénérateur fonctionne à régime nominal.
Le ballon déstocke.

Déstockage pur

Besoins moyens.
Seul le ballon déstocke.

Stockage pour configuration en série

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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.

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).
Libération du cogénérateur seul avec une modulation de puissance entre 100 et 70 %.
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 :

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.

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.

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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).

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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

Posted By : Sylvie 14 Mar, 2016

Choisir les échangeurs de chaleur [cogen]

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

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

Posted By : Sylvie 10 Mar, 2016

Dimensionner l’installation de cogénération

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).

Le cogénérateur et la chaudière s’arrêtent.

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

Posted By : Sylvie 10 Mar, 2016

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)

1^er mois

2^ème mois

3^ème mois

4^ème mois

5^ème mois

6^ème mois

7^ème mois

Études

Étude d’exécution des travaux électriques BT

Étude d’exécution des travaux thermiques

Approbations

Visa des études par les organismes de contrôle et le distributeur

Commande de matériel

Commande du groupe et équipements

Début du chantier

–

Génie Civil

Réalisation du socle

Tranchées pour circuit de récupération

Début chantier hors GC

Groupe de cogénération

Mise en place du groupe

Raccordement échappement (silencieux, pot catalytique, cheminée)

Circuit de refroidissement, y compris aéro-réfrigérant

Alimentation combustible, sécurité et essais

Travaux électriques

Pose et raccordements armoires BT

Circuit de puissance

Travaux de chauffage

Raccordement de la récupération de chaleur de la cogénération

Travaux en chaufferie, coupure et raccordement

Electricité et Régulation

Mise en route et essais

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 :

La cogénération pour les entreprises et les industries

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 k_CO₂ et au k_eco.

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

Voici quelques documents utiles qui pourront vous servir dans les différentes étapes du projet d’installation d’un cogénérateur :

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

Posted By : Energie-Plus 26 Nov, 2015

Ecoconception et étiquetage énergétique : règlements européens

Introduction

La réglementation ErP (Energy-related Product) regroupe l’écoconception et l’étiquetage des produits. Elle est bien connue du consommateurs via les écolabel appliqués sur tous les électroménagers disponibles à la vente.

Comme pour ceux-ci, les appareils de production de chaleur, les chauffe-eau ainsi que les ballons de stockage doivent désormais être vendus assortis d’un écolabel ou étiquetage énergétique. Les règlements délégués (UE) n°811/2013 et 812/2013 de la Commission du 18 février 2013 indiquent les règles à suivre pour cette étiquetage énergétique.

Les règles en matière d’écoconception sont d’application pour les fabricants et doivent permettre d’augmenter l’efficacité énergétique des appareils produits et donc de réduire les émissions de CO₂ dues à leur utilisation. Ce sont les règlements (UE) n°813/2013 et 814/2013 qui donnent les valeurs qui sont à respecter par les fabricants.

Les objectifs de la réglementation ErP sont d’harmoniser les dispositions d’étiquetage existantes, d’éviter des disparités en termes d’efficacité énergétique, d’inciter les fabricants à améliorer l’efficacité énergétique de leurs produits et ainsi de réaliser des économies d’énergies de chauffage des locaux et de l’eau à l’échelle européenne en imposant une performance énergétique minimale en conception des appareils producteurs de chaleur.

Il est estimé que les effets combinés des règles d’écoconception et de l’étiquetage énergétique pourraient engendrer des économies d’énergie s’élevant à 45 Mtep (523 TWh) pour le chauffage des locaux et 11 Mtep (128 TWh) pour le chauffage de l’eau chaque année sur l’ensemble de l’Europe d’ici 2020.

Les appareils de refroidissement et de ventilation devraient bientôt suivre le même chemin.

Les dispositifs sont d’application depuis le 26 septembre 2015. Une modification des étiquettes et un relèvement des exigences sont prévus pour les 26 septembre 2017, 2018 et 2019.

Domaine d’application

Les produits soumis aux règlements ErP sont :

Pour le chauffage des locaux

les dispositifs de chauffage des locaux (chauffage central à eau chaude avec un ou plusieurs générateurs de chaleur fonctionnant par combustion, effet Joule ou capture de chaleur ambiante ou résiduelle) ;

les dispositifs de chauffage mixte (fournissant également l’eau chaude sanitaire);

les dispositifs de chauffage des locaux par cogénération dont la puissance électrique est inférieure à 50 kW;

les produits combinés constitués :
- d’un dispositif de chauffage des locaux ou mixte,
- d’un régulateur de température,
- d’un dispositif solaire (système tout solaire, capteur solaire, ballon d’eau chaude solaire ou pompe de boucle de captage).

Pour le chauffage de l’eau

les chauffe-eau (conventionnels, solaires et thermodynamiques avec un ou plusieurs générateurs de chaleur) ;

les ballons d’eau chaude d’une capacité de stockage ;

les produits combinés constitués :
- d’un chauffe-eau,
- d’un dispositif solaire.

Produit	Puissances et volumes d’application
Produit	Écoconception	Étiquetage énergétique
Dispositif de chauffage des locaux	≤ 400 kW (≤ 50 kW_él pour la cogénération)	≤ 70 kW (≤ 50 kW_él pour la cogénération)
Dispositif de chauffage mixte	≤ 400 kW	≤ 70 kW
Chauffe-eau	≤ 400 kW	≤ 70 kW
Ballon d’eau chaude	≤ 2000 litres	≤ 500 litres

Appareils hors champ d’application

Les étiquetages ne sont donc pas valables pour :

les dispositifs utilisant à titre principal (à plus de 50%) du gaz ou des produits liquides issus de la biomasse ;

les appareils alimentés en combustibles solides ;

les appareils industriels tels que, par exemple, les installations supérieures ou égales à 50MW ou les incinérateurs à déchets ;

les appareils chauffant et faisant circuler un fluide caloporteur gazeux (vapeur ou air, par exemple) ;

les dispositifs de chauffage des locaux par cogénération dont la puissance électrique maximale est de 50 kW ou plus;

les chauffe-eau pour un profil de puisage inférieur au plus petit profil (3XS) référencé par le règlement ;

les chauffe-eau conçus uniquement pour la préparation de boissons et/ou d’aliments chauds.

Remarques.

Les appareils installés avant le 26 septembre 2015, ne doivent pas faire l’objet d’un étiquetage rétroactif. De même, les appareils de chauffage produits et/ou fournis avant le 26 septembre 2015 ne sont pas soumis à ce règlement d’étiquetage.

Les exigences d’écoconception

Sur l’efficacité énergétique saisonnière pour le chauffage des locaux

Produits			Exigences d’efficacité énergétique
Appareils	Fonction	Puissance	à partir du 26/09/2015	à partir du 26/09/2017
Chaudière à combustible	chauffage des locaux ou mixte	≤ 70 kW	86 %
Chaudière à combustible	chauffage des locaux ou mixte	> 70 kW	86 % (à 100 % de puissance utile) 94 % (à 30 % de puissance utile)
Chaudière de type B1	chauffage des locaux	≤ 10 kW	75 %
Chaudière de type B1	mixte	≤ 30 kW	75 %
Chaudière électrique	chauffage des locaux ou mixte	–	30 %	36 %
Cogénération	chauffage des locaux	–	86 %	100 %
Pompe à chaleur	Chauffage des locaux ou mixte	–	100 %	110 %
Pompe à chaleur basse température	–	–	115 %	125 %

Sur l’efficacité énergétique pour le chauffage de l’eau

Caractéristiques pour définir le profil de puisage :

Caractéristiques	Profils de puisage
Caractéristiques	3XS	XXS	XS	S	M	L	XL	XXL	3XL	4XL
Débit [l/m]	2	2	3	3 – 5	3 – 6	3 – 10	3 – 10	3 – 16	24 – 48	48 – 96
Température de l’eau chaude [°C]	–	–	–	55	40 – 55	40 – 55	40 – 55	40 – 55	40 – 55	40 – 55
Température requise [°C]	25	25	35	10 – 45	10 – 40	10 – 40	10 – 40	10 – 40	10 – 40	10 – 40
Énergie quotidienne [kWh]	0,345	2,100	2,100	2,100	5,845	11,655	19,070	24,530	46,760	93,520

Pour le chauffage de l’eau au sein d’un dispositif de chauffage mixte :

Exigences	Profils de puisage
Exigences	3XS	XXS	XS	S	M	L	XL	XXL	3XL	4XL
à partir du 26/09/2015	22 %	23 %	26 %	26 %	30 %	30 %	30 %	32 %	32 %	32 %
à partir de 26/09/2017	32 %	32 %	32 %	32 %	36 %	37 %	38 %	60 %	64 %	64 %

Pour le chauffage de l’eau au sein d’un chauffe-eau :

Exigences	Profils de puisage
Exigences	3XS	XXS	XS	S	M	L	XL	XXL	3XL	4XL
à partir du 26/09/2015	22 %	23 %	26 %	26 %	30 %	30 %	30 %	32 %	32 %	32 %
à partir de 26/09/2017	32 %	32 %	32 %	32 %	36 %	37 %	37 %	37 %	37 %	38 %
à partir du 26/09/2018	32 %	32 %	32 %	32 %	36 %	37 %	37 %	60 %	64 %	64 %

Sur le volume de stockage des chauffe-eau

Exigences	Profils de puisage
Exigences	3XS	XXS	XS	S	M	L	XL	XXL	3XL	4XL
à partir du 26/09/2015	≤ 7 litres	≤ 15 litres	≤ 15 litre	≤ 36 litres	≥ 65 litres*	≥ 130 litres*	≥ 210 litres*	≥ 300 litres*	≥ 520 litres*	≥ 1040 litres*
note :	* Pour l’eau mitigée à 40°C

Sur le niveau de puissance acoustique

Pour les pompes à chaleur et les chauffe-eau thermodynamiques

Exigences à partir du 26/09/2015		Niveau de puissance acoustique [dB]
Exigences à partir du 26/09/2015		à l’intérieur	à l’extérieur
Puissance thermique nominale	≤ 6 kW	60	65
	≤ 12 kW	65	70
	≤ 30 kW	70	78
	≤ 70 kW	80	88

Sur les émissions d’oxydes d’azote

Produits			Exigences à partir du 26/09/2018
Appareils	Système de combustion	Combustibles	Émissions d’oxydes d’azote en mg/kWh PCS de combustible consommé
Chaudières et chauffe-eau conventionnels		gazeux	56
Chaudières et chauffe-eau conventionnels		liquides	120
Cogénérations	externe	gazeux	70
	externe	liquides	120
	interne	gazeux	240
	interne	liquides	420
Pompes à chaleur et chauffe-eau thermodynamiques	externe	gazeux	70
	externe	liquides	120
	interne	gazeux	240
	interne	liquides	420

Sur les pertes statiques les ballons d’eau chaude

Pertes statiques ≤ 16,66 + 8,33 x V^0,4 [W]

Les exigences d’étiquetage

Pour les fournisseurs

Pour chaque appareil concerné mis sur le marché ou en service, les fournisseurs doivent :

Procurer l’étiquette adéquate et conforme. Elle doit être disponible au sein de l’emballage. Dans le cas d’un produit combiné, une seconde étiquette est fournie ;

Fournir une fiche produit. Celle-ci doit au minimum être fournie pour le générateur de chaleur, dans le cas d’un produit combiné, une seconde est nécessaire pour l’ensemble. Une fiche produit est également demandée pour les régulateurs de températures et les dispositifs solaires ;

Mettre à disposition des autorités des États membres et de la commission européenne la documentation technique correspondante (du dispositif de chauffage, du régulateur de température et du dispositif solaire correspondant ou du chauffe-eau, du ballon d’eau chaude et du dispositif solaire correspondant si tel est le cas) si elles en font la demande. Cette documentation reprend principalement les éléments repris dans la fiche produit ainsi que le nom et l’adresse du fournisseur, la description du modèle, les références des normes et/ou spécifications techniques appliquées, certains paramètres techniques… ;

Référencer la classe énergétique saisonnière pour tout modèle faisant l’objet d’une publicité et mentionnant des informations de prix ou liées à l’énergie ;

Référencer la classe énergétique saisonnière dans tous les documents promotionnels techniques du produit concerné.

Pour les distributeurs

Pour chaque appareil concerné mis à la vente ou à la location, les distributeurs doivent :

Rendre clairement visible sur le point de vente l’étiquette fournie ;

Fournir l’information nécessaire avec le produit si celui-ci n’a pas pu être examiné par l’utilisateur final (par exemple lors d’une vente en ligne); c’est-à-dire, fournir les informations données par la fiche produit mais également ;

Référencer la classe énergétique saisonnière pour tout modèle faisant l’objet d’une publicité et mentionnant des informations de prix ou liées à l’énergie ;

Référencer la classe énergétique saisonnière dans tous les documents promotionnels techniques du produit concerné.

Pour les produits combinés :

Fournir la fiche produit dûment complétée.

Les étiquettes énergétiques

Les règlements présentent des exemples d’étiquettes pour chaque dispositifs seuls ou combinés et définissent, en plus des informations qui doivent s’y trouver, leurs dimensions et codes couleurs à utiliser. Chaque étiquette comporte le logo de l’Union Européenne en haut à gauche ainsi que son année d’introduction et le numéro du règlement qui lui est associé.

Date d’entrée en vigueur	Évolution de l’échelle des classes
	Dispositif de chauffage des locaux ou mixtes		Chauffe-eau	Ballons d’eau chaude	Produits combinés
	pour les locaux	pour l’eau	pour l’eau
26/09/2015	A⁺⁺ à G	A à G	A à G	A à G	A⁺⁺⁺ à G
26/09/2017			A⁺ à F	A⁺ à F
26/09/2019	A⁺⁺⁺ à D	A⁺ à F

Les dispositifs de chauffage des locaux ou mixtes verront leur étiquette changer en septembre 2019 pour passer d’une échelle de classe de A⁺⁺ jusqu’à G à A⁺⁺⁺ jusqu’à D. Les chauffes-eau et les ballons de stockage verront quant à eux leur étiquette énergétique changer dès septembre 2017 en passant d’une échelle de classe de A jusqu’à G à à A⁺ jusqu’à F. Les appareils de classes inférieures ne seront donc plus étiquetées et ne pourront donc plus être soumis à la vente.

Pour les appareils seuls

Exemple d’étiquette énergétique pour une chaudière (chauffage des locaux uniquement).

Les étiquettes d’un dispositifs de chauffage des locaux ou mixtes, d’un chauffe-eau ou d’un ballon d’eau chaude sont toutes construites suivant le même schéma. On y retrouve :

En haut, les renseignements du produit pour l’identifier :

le nom ou la marque commerciale du fournisseur (I);

la référence du modèle donnée par le fournisseur (II);

le logo indiquant le type d’appareil :
- un radiateur indique que le produit fournit de la chaleur pour les locaux,

- un robinet indique que le produit fournit de l’eau chaude sanitaire (la lettre associée indique le profil de puisage considéré),

- un ballon rempli d’eau indique que le produit est un ballon d’eau chaude ;

dans le cas d’un dispositif de chauffage des locaux par pompe à chaleur, la température de fonctionnement à moyenne et/ou basse température.

Au milieu, sa classe d’efficacité énergétique :

l’échelle des classes énergétiques en fonction de l’année d’introduction de l’étiquette;

la classe d’efficacité énergétique du produit sous forme d’une flèche pointant à la même hauteur sur l’échelle des classes;
- dans le cas d’un dispositif de chauffage mixte, la classe énergétique est spécifiée pour chacune des deux fonctionnalités (chauffage des locaux et de l’eau);

- dans le cas d’une pompe à chaleur la classe énergétique est spécifiée pour chaque type d’application à basse et/ou moyenne température.

En bas, des informations techniques :

le niveau de puissance acoustique à l’intérieur en dB;

dans le cas d’une pompe à chaleur, le niveau de puissance acoustique à l’extérieur en dB ;

la puissance thermique nominale en kW pour les dispositifs de chauffage des locaux ou mixtes :
- dans le cas d’une pompe à chaleur, elle est déclinée suivant les trois zones indicatives définies sur la carte des températures en Europe et suivant la ou les températures d’application,

- dans le cas d’un cogénération, le logo indiquant la fonction supplémentaire de production d’électricité ;

la consommation annuelle d’électricité en kWh et/ou de combustible en GJ PCS, pour les chauffe-eau :
- dans le cas d’un chauffe-eau solaire, elles sont déclinées suivant suivant les trois zones indicatives définies sur la carte solaire européenne,

- dans le cas d’un chauffe-eau thermodynamiques, elles sont déclinées suivant les trois zones indicatives définies sur la carte des températures en Europe ;

les pertes statiques en W et le volume en litres pour les ballons d’eau chaude ;

le logo éventuel indiquant que le dispositif de chauffage mixte ou le chauffe-eau conventionnel ou le chauffe-eau thermodynamique peut fonctionner uniquement en heures creuses ;

Pour les produits combinés

Exemple d’étiquette énergétique pour un produit combiné mixte (chauffage des locaux et de l’eau chaude sanitaire).

Les étiquettes d’un dispositifs de chauffage des locaux ou mixtes, d’un chauffe-eau ou d’un ballon d’eau chaude sont toutes construites suivant le même schéma. On y retrouve :

En haut, les renseignements du produit combiné pour l’identifier :

le nom ou la marque commerciale du distributeur et/ou fournisseur (I);

la référence du ou des modèles donnée par le distributeur et/ou fournisseur (II);

le logo indiquant le type de produit combiné :
- un radiateur indique que le produit fournit de la chaleur pour les locaux,

- un robinet indique que le produit fournit de l’eau chaude sanitaire (la lettre associée indique le profil de puisage considéré) ;

À gauche, les appareils formant le produit combiné :

la ou les classes d’efficacité énergétique pour le chauffage des locaux et/ou de l’eau chaude sanitaire du dispositif de chauffage associé (dispositif de chauffage des locaux ou mixte ou chauffe-eau) sous forme d’une ou deux flèches pointant vers le logo du générateur de chaleur ;

les logos représentant les dispositifs pouvant être associé au produit combiné :
- dans le cas d’un dispositif de chauffage des locaux ou mixte, d’un régulateur de chaleur et d’un dispositif solaire : un capteur solaire, un ballon d’eau chaude, un régulateur de température et/ou un dispositif de chauffage des locaux d’appoint,

- dans le cas d’un chauffe-eau et d’un dispositif solaire : un capteur solaire et/ou un ballon d’eau chaude.

À droite, sa ou ses classe d’efficacité énergétique :

la ou les échelles des classes énergétiques en fonction de l’année d’introduction de l’étiquette ;

la ou les classes d’efficacité énergétique du produit combiné pour le chauffage des locaux et/ou le chauffage de l’eau sous forme d’une flèche pointant à la même hauteur sur l’échelle correspondante.

Classes d’efficacité énergétique correspondantes

Sur chaque étiquette pour chaque dispositif concerné, chaque classe énergétique de A⁺⁺⁺, la plus efficace, à G, la moins, efficace représente un intervalle où η_s, le rendement saisonnier, se situe. Pour le chauffage des locaux :

Classes d’efficacité énergétique	Efficacité énergétique saisonnière en % pour le chauffage des locaux
Classes d’efficacité énergétique	Dispositifs de chauffage des locaux	Pompes à chaleur basse température
A⁺⁺⁺	η_s ≥ 150	η_s ≥ 175
A⁺⁺	125 ≤ η_s < 150	150 ≤ η_s < 175
A⁺	98 ≤ η_s < 125	123 ≤ η_s < 150
A	90 ≤ η_s < 98	115 ≤ η_s < 123
B	82 ≤ η_s < 90	107 ≤ η_s < 115
C	75 ≤ η_s < 82	100 ≤ η_s < 107
D	36 ≤ η_s < 75	61 ≤ η_s < 100
E	34 ≤ η_s < 36	59 ≤ η_s < 61
F	30 ≤ η_s < 34	55 ≤ η_s < 59
G	η_s < 30	η_s < 55

Pour le chauffage de l’eau, les étiquettes pour les dispositifs de chauffage mixte et les chauffe-eau présentent des classes énergétiques dont l’efficacité énergétique η_wh équivalent est fonction du profil de puisage :

Classes d’efficacité énergétique	Efficacité énergétique en % pour le chauffage de l’eau selon le profil de puisage
Classes d’efficacité énergétique	3XS	XXS	XS	S	M	L	XL	XXL
A⁺⁺⁺	η_wh ≥ 62	η_wh ≥ 62	η_wh ≥ 69	η_wh ≥ 90	η_wh ≥ 163	η_wh ≥ 188	η_wh ≥ 200	η_wh ≥ 213
A⁺⁺	53 ≤ η_wh < 62	53 ≤ η_wh < 62	61 ≤ η_wh < 69	72 ≤ η_wh < 90	130 ≤ η_wh < 163	150 ≤ η_wh < 188	160 ≤ η_wh < 200	170 ≤ η_wh < 213
A⁺	44 ≤ η_wh < 53	44 ≤ η_wh < 53	53 ≤ η_wh < 61	55 ≤ η_wh < 72	100 ≤ η_wh < 130	115 ≤ η_wh < 150	123 ≤ η_wh < 160	131 ≤ η_wh < 170
A	35 ≤ η_wh < 44	35 ≤ η_wh < 44	38 ≤ η_wh < 53	38 ≤ η_wh < 55	65 ≤ η_wh < 100	75 ≤ η_wh < 115	80 ≤ η_wh < 123	85 ≤ η_wh < 131
B	32 ≤ η_wh < 35	32 ≤ η_wh < 35	35 ≤ η_wh < 38	35 ≤ η_wh < 38	39 ≤ η_wh < 65	50 ≤ η_wh < 75	55 ≤ η_wh < 80	60 ≤ η_wh < 85
C	29 ≤ η_wh < 32	29 ≤ η_wh < 32	32 ≤ η_wh < 35	32 ≤ η_wh < 35	36 ≤ η_wh < 39	37 ≤ η_wh < 50	38 ≤ η_wh < 55	40 ≤ η_wh < 60
D	26 ≤ η_wh < 29	26 ≤ η_wh < 29	29 ≤ η_wh < 32	29 ≤ η_wh < 32	33 ≤ η_wh < 36	34 ≤ η_wh < 37	35 ≤ η_wh < 38	36 ≤ η_wh < 40
E	22 ≤ η_wh < 26	23 ≤ η_wh < 26	26 ≤ η_wh < 29	26 ≤ η_wh < 29	30 ≤ η_wh < 33	30 ≤ η_wh < 34	30 ≤ η_wh < 35	32 ≤ η_wh < 36
F	19 ≤ η_wh < 22	20 ≤ η_wh < 23	23 ≤ η_wh < 26	23 ≤ η_wh < 26	27 ≤ η_wh < 30	27 ≤ η_wh < 30	27 ≤ η_wh < 30	28 ≤ η_wh < 32
G	η_wh < 19	η_wh < 20	η_wh < 23	η_wh < 23	η_wh < 27	η_wh < 27	η_wh < 2	η_wh < 28

Les règlements définissent les profils de puisage équivalents, en voici les caractéristiques principales et une estimation correspondantes :

Caractéristiques	Profils de puisage
Caractéristiques	3XS	XXS	XS	S	M	L	XL	XXL
Débit [l/m]	2	2	3	3 – 5	3 – 6	3 – 10	3 – 10	3 – 16
Température de l’eau chaude [°C]	–	–	–	55	40 – 55	40 – 55	40 – 55	40 – 55
Température utile[°C]	25	25	35	10 – 45	10 – 40	10 – 40	10 – 40	10 – 40
Énergie quotidienne [kWh]	0,345	2,100	2,100	2,100	5,845	11,655	19,070	24,53

Dans le cas des ballons d’eau chaude l’intervalle est déterminé par les pertes statiques S en fonction du volume V :

Classes d’efficacité énergétique	Pertes statique S en watts, avec la capacité de stockage V en litre
A⁺	S < 5,5 + 3,16 x V^0,4
A	5,5, + 3,16 x V^0,4 ≤ S < 8,5 + 4,25 x V^0,4
B	8,5 + 4,25 x V^0,4 ≤ S < 12 + 5,93 x V^0,4
C	12 + 5,93 x V^0,4 ≤ S < 16,66 + 8,33 x V^0,4
D	16,66 + 8,33 x V^0,4 ≤ S < 21 + 10,33 x V^0,4
E	21 + 10,33 x V^0,4 ≤ S < 26 + 13,66 x V^0,4
F	26 + 13,66 x V^0,4 ≤ S < 31 + 16,66 x V^0,4
G	S < 31 + 16,66 x V^0,4

Classes énergétiques des ballons d’eau chaude en fonction de leur volume V en litres et de leur pertes statiques en watts.

Finalement, pour les produits combinés, les classe d’efficacité énergétique affichées correspondent ainsi au rendement saisonnier :

Classes d’efficacité énergétique	Efficacité énergétique saisonnière en % pour le chauffage des locaux		Efficacité énergétique en % pour le chauffage de l’eau selon le profil de puisage
Classes d’efficacité énergétique	Dispositifs de chauffage des locaux	Pompes à chaleur basse température	M	L	XL	XXL
A⁺⁺⁺	η_s ≥ 150	η_s ≥ 175	η_wh ≥ 163	η_wh ≥ 188	ηwh ≥ 200	ηwh ≥ 188
A⁺⁺	125 ≤ η_s < 150	150 ≤ η_s < 175	130 ≤ η_wh < 163	150 ≤ η_wh < 188	160 ≤ η_wh < 200	170 ≤ η_wh < 213
A⁺	98 ≤ η_s < 125	123 ≤ η_s < 150	100 ≤ η_wh < 130	115 ≤ η_wh < 150	123 ≤ η_wh < 160	131 ≤ η_wh < 170
A	90 ≤ η_s < 98	115 ≤ η_s < 123	65 ≤ η_wh < 100	75 ≤ η_wh < 115	80 ≤ η_wh < 123	85 ≤ η_wh < 131
B	82 ≤ η_s < 90	107 ≤ η_s < 115	39 ≤ η_wh < 65	50 ≤ η_wh < 75	55 ≤ η_wh < 80	60 ≤ η_wh < 85
C	75 ≤ η_s < 82	100 ≤ η_s < 107	36 ≤ η_wh < 39	37 ≤ η_wh < 50	38 ≤ η_wh < 55	40 ≤ η_wh < 60
D	36 ≤ η_s < 75	61 ≤ η_s < 100	33 ≤ η_wh < 36	34 ≤ η_wh < 37	35 ≤ η_wh < 38	36 ≤ η_wh < 40
E	34 ≤ η_s < 36	59 ≤ η_s < 61	30 ≤ η_wh < 33	30 ≤ η_wh < 34	30 ≤ η_wh < 35	32 ≤ η_wh < 36
F	30 ≤ η_s < 34	55 ≤ η_s < 59	27 ≤ η_wh < 30	27 ≤ η_wh < 30	27 ≤ η_wh < 30	28 ≤ η_wh < 32
G	η_s < 30	η_s < 55	η_wh < 27	η_wh < 27	η_wh < 27	η_wh < 28

La fiche produit

Dispositifs de chauffage des locaux, dispositifs de chauffage mixtes et chauffe-eau

Les éléments devant obligatoirement se retrouver sur la fiche produit d’un dispositif de chauffage des locaux ou d’un dispositif mixtes sont indiqués dans le tableau suivant :

Éléments repris	Dispositifs de chauffage des locaux			Dispositifs de chauffage mixtes		Chauffe-eau
Éléments repris	par chaudière	par cogénération	par pompe à chaleur	par chaudière	par pompe à chaleur	conventionnels	solaires	thermodynamiques
Nom du fournisseur ou marque commerciale	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui
Référence du produit	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui
Le ou les profils de soutirage déclarés	Non	Non	Non	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui
Classe d’efficacité énergétique pour le chauffage des locaux	Oui	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Non	Non	Non
Classe d’efficacité énergétique pour le chauffage de l’eau	Non	Non	Non	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui, dans les conditions climatiques moyennes
Puissance thermique nominale en kW	Oui	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Non	Non	Non
Efficacité énergétique saisonnière pour le chauffage des locaux en %	Oui	Oui, plus le rendement électrique en %	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Non	Non	Non
Efficacité énergétique saisonnière pour le chauffage de l’eau en %	Non	Non	Non	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques plus froides, moyennes et plus chaudes	Oui, dans les conditions climatiques plus froides, moyennes et plus chaudes
Consommation annuelle d’énergie pour le chauffage des locaux en kWh et/ou GJ PCS	Oui	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Non	Non	Non
Consommation annuelle d’énergie pour le chauffage de l’eau en kWh et/ou GJ PCS	Non	Non	Non	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui	Oui, dans les conditions climatiques moyennes	Oui, dans les conditions climatiques moyennes
Niveau de puissance acoustique	Oui, à l’intérieur	Oui, à l’intérieur	Oui, à l’intérieur et à l’extérieur	Oui, à l’intérieur	Oui, à l’intérieur et à l’extérieur	Oui, à l’intérieur	Oui, à l’intérieur	Oui, à l’intérieur et à l’extérieur
Indication de la capacité à ne fonctionner qu’en heures creuses	Non	Non	Non	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui
Précautions particulières pour le montage, l’installation ou l’entretien	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui	Oui

Pour les chauffe-eau solaires, dû à la présence des capteurs, il faut y rajouter spécifiquement :

la surface d’entrée des capteurs [m²],
le rendement optique,
le coefficient de perte du premier ordre [W/m²K],
le coefficient de perte du second ordre [w/m²K],
le facteur d’angle d’incidence,
la capacité de stockage en litres,
la consommation d’électricité de la pompe [W],
et la consommation d’électricité en vieille [W].

Régulateurs de température

La fiche produit contient au minimum les informations suivantes :

le nom du fournisseur ou la marque commerciale,
la référence du modèle donnée par le fournisseur,
sa classe,
et sa contribution à l’efficacité énergétique saisonnière pour le chauffage des locaux en %.

Ballons d’eau chaude

Est compris dans la fiche produit d’un ballon d’eau chaude :

le nom du fournisseur ou la marque commerciale ;
la référence du modèle donnée par le fournisseur ;
sa classe d’efficacité énergétique ;
ses pertes statiques en W ;
sa capacité de stockage en litres.

Dispositifs solaires

Les informations reprisent dans la fiche produit d’un dispositif solaire concernent :

le nom du fournisseur ou la marque commerciale ;
la référence du modèle donnée par le fournisseur ;
la surface du capteur en m² ;
pour un dispositif solaire associé à un dispositif de chauffage des locaux :
- le rendement du capteur en %,
- la classe d’efficacité énergétique du ballon d’eau chaude solaire,
- les pertes statiques du ballon d’eau chaude solaire en W,
- le volume de stockage du ballon d’eau chaude solaire en litre ;
ou pour un dispositif solaire associé à un chauffe-eau :
- le rendement optique,
- le coefficient des pertes thermiques du capteur solaire en W/m²K,
- le coefficient de dépendance à la température des pertes thermiques en W/m²K²,
- le facteur d’angle d’incidence,
- la capacité de stockage en litre ;
la contribution calorifique non solaire en kWh primaire pour l’électricité ou kWh PCS pour les combustibles (pour les profils de soutirage de M à XXL dans les conditions climatiques moyennes) ;
la consommation d’électricité de la pompe en W ;
la consommation d’électricité en veille en W ;
la consommation annuelle d’électricité auxiliaire en kWh d’énergie finale.

Produits combinés

La fiche des produits combinés doit reprendre les valeurs utiles au calcul de l’efficacité énergétique pour le chauffage des locaux et/ou le chauffage de l’eau du produit combiné considéré. Pratiquement, c’est-à-dire l’ensemble des données reprises dans les fiches d’information respectives des dispositifs formant la combinaison.

Finalement, elle reprendra le détail du calcul de l’efficacité énergétique saisonnière pour le chauffage des locaux et/ou le chauffage de l’eau du produit combiné.

Mesures et calculs

Pour pouvoir déterminer la classe d’efficacité énergétique des produits, il est nécessaire de pouvoir calculer leur efficacité énergétique saisonnière de manière unique, conforme et reproductible afin de pouvoir comparer justement deux produits entre eux.

Dispositifs uniques

Les fabricants et fournisseurs doivent calculer l’efficacité énergétique saisonnière et les autres paramètres techniques de leur produit de manière conforme en appliquant des méthodes de calculs approuvé par l’Union Européenne. Ces données sont fournies dans la documentation technique et dans la fiche du produit et doivent permettre de calculer l’efficacité énergétique saisonnier du produit combiné par le distributeur.

Les règlements européens définissent les hypothèses à prendre lors des tests et les formules à suivre lors du calcul de l’efficacité énergétique d’un produit.

Produits combinés

Pour un produit combiné, le seul élément supplémentaire à calculer est l’efficacité énergétique saisonnière globale pour le chauffage des locaux et/ou de l’eau.

Exemple pour le chauffage des locaux par chaudière combinée à un régulateur de température et un dispositif solaire

η_s = η_gen + c_reg + c_sup + c_sol + c_pac – c_sol/pac

Avec :

η_s : Efficacité énergétique saisonnière du produit combiné pour le chauffage des locaux en %;
η_gen : Efficacité énergétique saisonnière de la chaudière pour le chauffage des locaux en %;
c_reg : Contribution apportée par le régulateur de température en % ;

Classe du régulateur	Contribution en %
I	1
II	2
III	1,5
IV	2
V	3
VI	4
VII	3,5
VIII	5

c_sup = (η_sup – η_gen) x 0,1 : Contribution apportée par une chaudière d’appoint en % ;
η_sup : Efficacité énergétique saisonnière de la chaudière d’appoint pour le chauffage des locaux en % ;
c_sol = [(294 / (11 x P_gen)) x S_cap + (115 / (11 x P_gen)) x V_bal] x 0,9 x (η_cap / 100) x C_bal : Contribution apportée par le dispositif solaire en % ;
P_gen : Puissance thermique nominale de la chaudière pour le chauffage des locaux en kW ;
S_cap : Surface du capteur en m² ;
V_bal : Volume du ballon en m³ ;
η_cap : Rendement du capteur en % ;
C_bal : Coefficient fonction de la classe du ballon ;

Classe du ballon	Coefficient C_bal
A⁺	0,95
A	0,91
B	0,86
C	0,83
D	0,81
E	0,81
F	0,81
G	0,81

c_pac = (η_pac – η_gen) x C : Contribution apportée par une pompe à chaleur d’appoint en % ;
η_pac : Efficacité énergétique saisonnière de la pompe à chaleur d’appoint pour le chauffage des locaux en % ;
C : Coefficient de pondération des puissances thermiques ;

P_sup/(P_gen+P_sup)	Coefficient de pondération C
P_sup/(P_gen+P_sup)	sans ballon d’eau chaude	avec ballon d’eau chaude
0	0	0
0,1	0,30	0,37
0,2	0,55	0,70
0,3	0,75	0,85
0,4	0,85	0,94
0,5	0,95	0,98
0,6	0,98	1,00
≥ 0,7	1,00	1,00

c_sol/pac = min ( 0,5 x c_sol ; 0,5 x c_pac ) : facteur défavorable lorsqu’il y a la contribution solaire et par pompe à chaleur en %

Posted By : Gregory Leonard 2 Oct, 2015

Prescriptions relatives aux espaces extérieurs

Éclairement des espaces extérieurs

Éclairement moyen recommandé au niveau du sol (en lux)
Circulation générale	Trottoirs réservés aux piétons.	5
	Pour des véhicules se déplaçant lentement (max 10 Km/h).	10
	Circulation régulière de véhicules (40 km/h max.).	20
	Passages piéton, point de chargement et déchargement des véhicules.	50
Parkings	Circulation peu intense comme parkings de magasin, maisons alignées et immeubles collectifs ; parking pour vélo.	5
	Densité de circulation moyenne comme immeuble de bureaux, complexes sportifs, de grands magasin.	10
	Circulation intense comme parkings des grands centres commerciaux, grands complexes sportif et polyvalent.	20

Uniformités des espaces extérieurs

Uniformité E_min / E_moy recommandée au niveau du sol
Circulation générale	Trottoirs réservés aux piétons pour des véhicules se déplaçant lentement (max 10 Km/h) ; Circulation régulière de véhicules (40km/h max.) ; Passages piéton ; Point de chargement et déchargement des véhicules.	0,25
		0,4
		0,4
		0,4
Parkings	Circulation peu intense comme parkings de magasin, maisons alignées et immeubles collectifs, parking pour vélo ; Densité de circulation moyenne comme immeuble de bureaux, complexes sportifs, de grands magasins ; Circulation intense comme parkings des grands centres commerciaux, grands complexes sportif et polyvalent.	0,25
		0,25
		0,25

Posted By : Sylvie 1 Oct, 2015

Consommations [Calculs]

Un exemple de cadastre énergétique mensuel, mono-bâtiment et multi vecteurs (fichier xls)
Cet outil comprend une fiche par année et un récapitulatif sur 10 ans. Toutes les cases bleues sont à remplir, les cases jaunes et rouges sont calculées automatiquement.
Les consommations de chauffages sont ramenées à une année climatique type.

Le modèle de cadastre énergétique pour gérer son institution (fichier xls)
Un outil de comptabilité énergétique annuelle multi-bâtiments et multi-vecteurs établi par les Facilitateurs URE sous l’impulsion de la Wallonie.

Les tableurs de suivi des consommations de l’Union Wallonne des Entreprises
Des outils de comptabilité énergétique mensuelle mono-bâtiments et mono-vecteur.

Vademecum « secteur tertiaire » : maîtriser les consommations d’énergie de mes bâtiments
Comment consommer moins d’énergie tout en conservant le même niveau de confort ? C’est là toute l’ambition de ce qu’on appelle l’URE, pour « Utilisation Rationnelle de l’Energie ». Ce vade-mecum se propose de développer cette notion et de fournir des moyens pratiques de la mettre en œuvre.

Posted By : Energie-Plus 15 Sep, 2015

Ventilation de l’antenne communale de Louvain-la-Neuve

Présentation du projet

La commune d’Ottignies-Louvain-la-Neuve a pris l’initiative de se doter d’un bâtiment exemplaire sur le plan énergétique lors de la construction de son antenne communale à Louvain-la-Neuve. L’appel à projet du bâtiment date du 2 septembre 2008 et a été obtenu par le cabinet d’architecture DELTA. Le bureau d’étude Matriciel s’est chargé des études énergétiques et le bureau BSolutions des techniques spéciales. Le chantier a été terminé en septembre 2013.

L’antenne communale de Louvain-la-Neuve est située au 1 voie des hennuyers à Louvain-la-Neuve.

Le bâtiment neuf abrite certains services de l’administration communale de la ville d’Ottignies-Louvain-la-Neuve ainsi que des locaux pour le CPAS et l’antenne de police. Il possède de nombreux bureaux individuels et paysagers et plusieurs salles de réunion. Il est également équipé d’une cafétéria, de plusieurs cuisines, de douches au rez-de-chaussée et de toilettes à chaque étage.
Le bâtiment est divisé en deux parties distinctes marquées par la matérialité de ses façades et de sa forme :

la « tour » qui fait office de hall d’entrée, d’accueil, de salle d’attente et de circulation verticale dans le bâtiment et intègre la cafétéria au dernier étage et ;
les plateaux où se situent les bureaux, salles de réunions et sanitaires. Les locaux techniques et l’antenne de police sont situés au rez-de-chaussée.

Vues intérieures de la salle d’attente située dans la « tour » et des bureaux du CPAS.

Ce bâtiment a été pensé et construit avec l’objectif d’atteindre des performances énergétiques passives. Cependant, durant les phases d’analyses, il a été nécessaire de ne pas intégrer la partie cafétéria et hall d’entrée (la tour du bâtiment) dans le modèle passif afin de pouvoir obtenir les performances énergétiques souhaitées. Une petite astuce qui a permis d’obtenir, pour une partie seulement du bâtiment, le label passif !

Le tableau suivant présente un récapitulatif des valeurs cibles pour un bâtiment passif et les résultats obtenus par simulation lors de l’avant-projet de l’antenne communale.

Indicateur	Objectifs	Résultats
Vitrages	G > 50%	52%
Besoin net de chauffage	≤ 15 kWh/m²an	13 kWh/m²an
Besoin net de refroidissement	≤ 15 kWh/m²an	3 kWh/m²an
Surchauffe estivale	<< 10%	8 %
Puissance d’éclairage	< 8 W/m²	7,8 W/m²
Étanchéité à l’air	n50 < 0,6	Atteint par hypothèse
Absence de ponts thermiques	coefficients de transmission linéaires < 0,01 W/mK	Atteint par hypothèse
Ventilateur à courant continu	consommation <0,45 W/(m³/h)	0,35 W/(m³/h)
Récupération de chaleur haut rendement	> 75 %	> 80 %
Consommation d’énergie primaire	< 85 kWh/m²an	67 kWh/m²an

La ventilation de ce bâtiment est son point particulier. En effet, il possède deux modes de ventilation. Le premier est une ventilation mécanique double flux et le second une ventilation naturelle manuelle réalisée par ouverture des fenêtres et cheminées centrales. L’alternance de ces deux modes se fait suivant des conditions bien précises.

Régulation de la température et du renouvellement d’air

Le bâtiment est équipé, pour le chauffage :

d’une chaudière au gaz modulante fonction de la température extérieure suivant un régime nominal 50/30 °C,
de radiateurs avec vannes thermostatiques,
d’une régulation intégrée pour moduler la température de l’air soufflé grâce à un récupérateur de chaleur à plaques de rendement supérieur à 75 % et d’une batterie à eau,
de sondes de température intérieurs et extérieurs.

et pour le renouvellement d’air (mécanique) :

d’un groupe de ventilation de pulsion et d’extraction de 3600 m³/h,
d’une régulation par horloge,
d’une sonde de pression de gaine 500 Pa permettant de faire varier la vitesse des ventilateurs en fonction de l’ouverture (et fermetures) des registres et clapets,
de trois sondes de qualité d’air ambiant agissant, notamment, sur les ouvertures des cheminées et trémies,
d’un capteur de pluie.

Consignes de températures et de confort

De façon générale, la température de confort prévue pour le bâtiment se situe entre 20 et 25 °C. Un programme horaire pour la température de consigne est prévu :

Températures de consignes
Horaire	« Bureaux »	« Tour »
Lundi à vendredi de 7h30 à 17h30 et samedi de 8h à 20h	20 °C	15 °C
La nuit et les Week-ends	15 °C	10 °C

La ventilation hygiénique, ventilation de base, est coupée les nuits et les week-ends.

Du point de vue technique : les principes et valeurs de régulation

Chauffage

La modulation du confort intérieur est réalisée grâce à la chaudière, à un thermostat d’ambiance intérieur, à des vannes thermostatiques et à l’aide d’un programme horaire indiquant le régime d’occupation.

Si la température extérieure est négative, l’activité de la chaudière est maintenue en permanence. Au contraire, si la température extérieure est supérieure à 20 °C ou si l’on travaille en ventilation naturelle, la chaudière est mise à l’arrêt.

Ventilation

Pour la ventilation, le passage d’un mode à l’autre est principalement fonction de la température extérieure. Toutefois, des dérogations sont possibles : en cas de pluies, du dépassement d’un seuil critique pour la qualité de l’air, d’incendie, etc.

Le mode de fonctionnement de la ventilation est le suivant :

Régulation de la ventilation
Température extérieure	Ventilation mécanique	Ventilation naturelle avec ouverture des fenêtres
inférieure à 15 °C	Débit nominal	non
entre 15 °C et 24 °C	Débit minimal	Possible
supérieure à 24 °C	Débit nominal + Free cooling	non

Le débit nominal correspond au débit de conception en s’adaptant aux débits recommandés (pulsés et extraits) de l’annexe C3 de la PEB, elle-même basée sur la norme NBN 13799. Ce type de ventilation suppose que l’air est pulsé et extrait entièrement grâce au système mécanique, les trémies des cheminées centrales sont donc fermées.
Le débit minimal correspond à la ventilation minimale requise pour les sanitaires. Celle-ci est effectuée par extraction. Lorsque la ventilation passe en débit minimal, les ouvrants pour la ventilation naturelle sont ouverts et celle-ci est donc permise dans les bureaux et la tour.
Le free cooling permet le refroidissement du bâtiment durant les périodes chaudes. Il est estimé à 4 vol/h.

Plusieurs dérogations à cette régulation existent, en cas :

de pluies : la ventilation (re)passe en débit nominal et les ouvertures pour la ventilation naturelle sont fermées.
de dépassement du seuil défini de qualité de l’air intérieur : la ventilation (re)passe en débit nominal durant minimum 1h.
de dérogation grâce à un bouton manuel dans la salle de réunion : la ventilation mécanique nominale est forcée dans tout le bâtiment.

Capteur de pluie et bouton de la salle de réunion permettant de déroger à la ventilation naturelle et de forcer la ventilation mécanique.

Finalement, le by-pass du récupérateur de chaleur est activé si la température extérieure est supérieure à 15 °C et qu’elle est inférieure à la température intérieure.

Du point de vue des occupants : une régulation par indicateur lumineux et vannes thermostatiques

Chauffage

Les occupants sont invités, grâce à des affiches, à placer leurs vannes thermostatiques sur la position 3 pour avoir une température équivalente d’environ 20 °C.

Ventilation

Une particularité du site est la présence de témoins lumineux. Ces indicateurs lumineux servent à prévenir les utilisateurs du bâtiment de l’état de fonctionnement de la ventilation :

Lumière verte : la ventilation mécanique est minimal, ouverture des fenêtres autorisée.
Lumière rouge : la ventilation mécanique est nominal, ouverture des fenêtres interdite.

Sous chaque témoin lumineux est disposée une note explicative du fonctionnement de la ventilation et des consignes d’utilisations optimal.

Indicateur lumineux et note explicative disposée dans les couloirs du bâtiment.

Cet affichage visuel est intéressant, car il est simple à comprendre et à mettre en place. De plus, il ajoute un aspect participatif et pédagogique qui permet aux utilisateurs de comprendre le fonctionnement des mécanismes de ventilations au sein de leur bâtiment.

Cependant, cela pourrait être encore plus efficace si le témoin lumineux n’était pas seulement situé dans le couloir où il est uniquement visible si les occupants sortent de leur bureau.

La ventilation naturelle par cheminées centrales

Le bâtiment est équipé d’un système de plusieurs cheminées centrales permettant la ventilation naturelle des locaux, étage par étage suivant les affectations du bâtiment, les bouches d’extraction étant situées dans le couloir.

Organisation des cheminées d’extraction pour la ventilation naturelle de l’antenne communale

Bouches de rejet des cheminées situées en toitures

Ce mode de ventilation naturelle est très intéressant car économique et théoriquement très efficace. Il fonctionne suivant le principe du tirage thermique.

L’air extérieur étant plus frais que l’air intérieur, les fenêtres vont être ouvertes afin de refroidir les locaux. Cet air étant réchauffé monte et finit par être évacué par les bouches d’extraction de la cheminée créant ainsi une circulation de l’air intérieur. En outre, au plus la différence de température sera élevée entre l’intérieur et l’extérieur, au plus le tirage thermique sera efficace et donc augmentera le débit de ventilation. Il est autoadaptatif !

Circulation de l’air dans les locaux en ventilation naturelle

Chaque niveau du bâtiment possède son système de cheminée qui permet un taux de renouvellement d’air théorique de 1.5 vol/h en journée. Théoriquement, on aura donc un débit à chaque étage de :

Étage	Superficie [m²]	Hauteur sous plafond [m]	Estimation du débit [m³/h]
Rez-de-chaussée	209	4	1254
Premier	262	3,22	1265
Deuxième	348	3,22	1680
Troisième	348	3,92	2046

La ventilation mécanique double flux

La ventilation naturelle est couplée à une ventilation mécanique double flux permettant un débit total de 3600 m³/h pour les bureaux.

La ventilation mécanique double flux est là pour assurer la ventilation hygiénique des locaux fonctionnant en parallèle de la ventilation naturelle lorsqu’elle est en fonctionnement, ainsi que la ventilation intensive lorsque les conditions extérieures ne permettent pas une ventilation naturelle. Seules la salle informatique et la cafétéria sont sous ventilation mécanique double flux constante.

L’ensemble des conduits horizontaux passe par de faux plafonds. Les conduits verticaux se situent soit dans des gaines techniques soit directement dans les cheminées centrales. Idéalement, il faudrait vérifier que dans ce dernier cas, les conduits n’entravent pas le bon fonctionnement de la ventilation naturelle.

Les bouches de pulsions sont situées dans les locaux telles que les bureaux, salles de réunion et salles informatiques et l’extraction se fait dans les sanitaires et les cuisines (zones humides).

Circulation de l’air dans les locaux en ventilation mécanique

La centrale de traitement d’air (CTA) est située en toiture. Elle est équipée d’un récupérateur de chaleur à haut rendement (> 80 %) composé d’un échangeur à plaques en aluminium à contre-courant qui permet d’obtenir de bonne économie d’énergie en préchauffant l’air entrant grâce à l’air extrait du bâtiment. Elle possède également une batterie chaude alimentée par la chaudière centrale du bâtiment.

Après la récupération de chaleur et le préchauffage par batterie chaude de 12,2 kW, l’air pulsé dans les locaux est à une température maximale de 24 °C.

Cette CTA ne prévoit finalement pas d’humidificateur ni de déshumidificateur et donc pas de batterie froide. En effet, le climat de la région et la possibilité de free cooling devraient permettre de se dispenser d’un système de refroidissement.

Campagne de mesures

Une petite campagne de mesures des ambiances intérieures a été lancée en août 2015 afin de vérifier les conditions de confort (température, humidité relative et concentration en CO₂) du bâtiment. Cette campagne a consisté en une mesure objective de paramètres d’ambiance, mais aussi en un relevé des ressentis des occupants vis-à-vis de la qualité de l’air intérieur et de leur confort thermique.

Monitoring du bâtiment

Ce monitoring a consisté en la pose de 6 dataloggers (sondes de mesures avec enregistrement des données) dans le bâtiment afin d’observer l’évolution des ambiances intérieures.

Les 6 loggers étaient :

2 sondes mesurant la température, l’humidité relative, la concentration en CO₂,
3 sondes mesurant la température et l’humidité intérieure des locaux,
1 sonde d’extérieur mesurant la température et l’humidité du climat sur site.

Datalogger avec capteur permettant la mesure de la température, de l’humidité relative et de la concentration de CO₂

La mesure du CO₂ a plusieurs intérêts, il permet :

de jouer le rôle d’indicateur de la qualité de l’air,
de mesurer indirectement la concentration des autres polluants par corrélation,
détecter la présence de personnes dans le local,
de déduire l’amené d’air neuf : 30m³/pers/h permet de maintenir 1000 ppm dans l’ambiance avec une concentration extérieure en CO₂ d’environ 400 ppm.

L’ensemble des sondes intérieures ont été réparties dans les bureaux au premier et deuxième étages sous des orientations différentes et également aux fréquentations diverses de manière à représenter la majorité des zones thermique et d’ambiances possibles du bâtiment :

Datalogger	Type de bureau	Superficie	Orientation	Occupation	Apports solaires	Charges hygrothermiques
Température, humidité et CO₂ n°1	Open-space et guichets de la commune	98 m²	nord-ouest	variable	limités	fortes
Température, humidité et CO₂ n°2	Bureau individuel	18 m²	nord-ouest	1 personne	limités	faibles
Température, humidité n°1	Bureau collectif n°1	28 m²	sud-est	3 personnes	importants	moyennes
Température, humidité n°2	Bureau collectif n°2	25 m²	nord-ouest	2 personnes	limités	moyennes
Température, humidité n°3	Bureau d’accueil avec fenêtre ouverte sur le couloir	18 m²	nord-ouest	2 personnes	limités	moyennes

Relevé d’impression d’ambiance par les occupants

Dans chacun des bureaux où un datalogger a été placé, il a été demandé aux occupants de remplir quotidiennement, midi et soir, un relevé d’ambiance intérieur. Les informations récoltées sont de type :

Ouvertures des fenêtres suivant une position ouverte ou fermée;
Ressenti de la qualité de l’air suivant une échelle de valeurs à 5 niveaux de très mauvaise à bonne;
Ressenti de la température suivant une échelle de valeurs de 7 niveaux de très chaud à très froid;
Commentaires ou sensations spécifiques.

De plus, afin de déterminer si des écarts de températures sont dus à une mauvaise utilisation des locaux ou à un mauvais réglage des installations, nous avons demandé à quelques utilisateurs de noter, de manière régulière (midi et soir), la position des fenêtres (ouvertes ou fermées), et leurs ressentis de la température et de la qualité d’air. En plus de déterminé si les installations sont bien utilisées ou non, c’est relevé devraient permettre de comprendre les évolutions de températures relevées par les loggers.

Observations des résultats

Relevé des mesures

Institution			CPAS			Ville		Climat extérieur
Orientation			Nord – ouest		Sud – est	Nord – ouest
Programme			Secrétariat	Bureau			Open space
Surface			18 m²	18 m²	28 m²	25 m²	98 m²	–
Occupation			2 pers.	1 pers.	3 pers.	2 pers.	Variable	–
Températures	24h/24	Min	20,9 °C	21,3 °C	21,2 °C	20,8 °C	20,9 °C	11,9 °C
	24h/24	Max	28,2 °C	27,7 °C	28,2 °C	31,2 °C	26,6 °C	30,4 °C
	Horaire de travail	Min	20,9 °C	21,3 °C	21,2 °C	20,8 °C	20,9 °C	12,4 °C
	Horaire de travail	Max	27,5 °C	27,3 °C	27,2 °C	25,7 °C	25,6 °C	27,9 °C
Humidité relative	24h/24	Min	40 %	37 %	42 %	40 %	38 %	29 %
	24h/24	Max	61 %	60 %	61 %	63 %	60 %	93 %
	Horaire de travail	Min	40 %	37 %	42 %	41 %	38 %	29 %
	Horaire de travail	Max	61 %	54 %	59 %	63 %	57 %	89 %
Concentration en CO₂	24h/24	Min	–	398 ppm	–	–	432 ppm	–
	24h/24	Max	–	1254 ppm	–	–	805 ppm	–
	Horaire de travail	Min	–	483 ppm	–	–	486 ppm	–
	Horaire de travail	Max	–	1254 ppm	–	–	805 ppm	–

Observations

en humidité relative

L’humidité relative intérieure est toujours située dans ou proche (à 3 % près) des plages recommandées par la réglementation à savoir 40 – 60 % sur les lieux de travail.

Aucune incohérence dans son évolution vis-à-vis de l’humidité extérieure et de la température intérieure n’a été relevée.

Dans plusieurs locaux en certaines périodes, l’humidité relative intérieure est quasiment identique à l’humidité relative extérieure ce qui peut attester d’une ouverture des fenêtres prolongée et/ou intensive.

La régulation de l’humidité relative du bâtiment semble donc être correctement réalisée.

en température

Durant les heures de travail, la température intérieure ne dépasse jamais la limite haute de température acceptable définie par la théorie du confort adaptatif. Toutefois dans trois locaux, la température intérieure dépasse 25 °C sur plus de 40 % de la période travail ce qui atteste d’une surchauffe plus importante que prévue.

Globalement, l’on remarque que la température diminue en matinée avec l’enclenchement de la ventilation, puis avec l’arrivée des usagers et l’ouverture des fenêtres, ce jusqu’en milieu et fin de matinée. À partir de là, la température croit jusqu’en fin de journée de travail. Durant la nuit et le week-end, le bâtiment se décharge lentement de sa chaleur interne.

On remarque l’impact de la ventilation mécanique le matin avec la chute de température dès 7h30.

Lorsque la température extérieure dépasse les 24 °C, les fenêtres sont sensées être fermées et la ventilation mécanique active. Or aucune indication dans le relevé des températures n’indique une diminution ou une stagnation à ces périodes. Cela arrive dans les trois locaux qui subissent le plus de surchauffes (T_int > 25 °C).

Dans l’open space et dans le petit bureau individuel du CPAS, l’évolution de la température reste très stable par rapport aux trois autres locaux qui subissent des variations plus importantes (vers le haut) généralement l’après-midi.

L’évolution de la température au cours du temps dans les locaux est difficile à appréhender étant donné que tant le climat extérieur, le fonctionnement de la ventilation et le comportement des occupants vont influencer celle-ci. Toutefois, il est à noter que même si les températures restent dans les limites acceptables de confort, elles dépassent trop souvent les 25 °C surtout que la température extérieure chute appréciablement durant la nuit. Un refroidissement nocturne du bâtiment grâce aux cheminées centrales pourrait peut-être abaisser la température pour démarrer la journée à 20 °C ou tout du moins à la limite basse de température de confort acceptable suivant la théorie du confort adaptatif et donc limiter les surchauffes dans l’après-midi.

en concentration de CO₂

Dans l’open space, la concentration de CO₂ semble ne pas dépasser les 800 ppm soit respecter les réglementations. Toutefois, même les périodes hautes correspondent aux heures d’ouverture de la commune, aucun plafond ne permet d’indiquer qu’une occupation accrue n’entrainera pas le dépassement des 1000 ppm. Il est à noter que l’open space est un espace de près de 100 m² qui est totalement ouvert sur le couloir traversant le bâtiment dans la longueur.

Le deuxième local où une sonde mesurant la concentration de CO₂ a été placée est le bureau individuel orienté nord-est. Dans celui-ci, la variation de CO₂ est beaucoup plus importante et la concentration dépasse durant 2 périodes les 1000 ppm. Une ouverture de la fenêtre marque clairement une chute du CO₂ du local.

Conclusion

Les quelques mesures effectuées ne permettent pas de dire si les principes innovants de ventilation prévus dans l’antenne communale de la ville de Louvain-la-Neuve sont efficaces pour garantir une qualité de l’air optimale et un confort thermique idéal durant l’été. La réponse semble positive dans un premier temps, mais quelques observations isolées devraient être étudiées plus en profondeur et expliqués pour en déterminer l’impact de la régulation de la ventilation.

Posted By : Energie-Plus 27 Août, 2015

Régler les débits de ventilation

Principes de réglage

Avant tout chose, il convient de ne pas confondre : régler les débits d’air ce n’est pas les réguler !

Réguler les débits d’air c’est modifier l’alimentation en air des locaux en fonction de conditions et de paramètres intérieures et ou extérieurs. Par exemple, si la pollution d’un local dépasse un seuil limite, les débits peuvent être automatiquement réguler à la hausse pour évacuer ce trop plein de pollution intérieur.
Régler les débits d’air consiste à effectuer le réglage complet du système juste après son installation (complète !) pour lui permettre d’atteindre les débits prévus lors de la conception. Il s’agit donc du réglage des bouches de pulsion et d’extraction, des clapets de régulation, des ventilateurs, des systèmes de distributions, etc.

Régler une installation, c’est donc assurer dans chaque local le débit d’air nécessaire. Ni plus, ni moins. Par souci de confort et d’économie d’énergie. Cette opération est normalement effectuée par l’installateur avant la réception des travaux, pour ajuster les débits aux valeurs prévues par le bureau d’études. Mais une mise au point ultérieure par le gestionnaire est parfois nécessaire en fonction de l’occupation effective du bâtiment.
L’équilibrage est réalisé dans les conditions normales de fonctionnement, soit

avec portes intérieures fermées, sauf si l’usage courant les destine à rester ouvertes,

avec portes et fenêtres extérieures fermées,
avec l’extraction en fonctionnement dans le cas d’un système double flux.

Il est grandement favorisé par l’existence d’organes de réglage des débits aux bouches et en tête des branches. À défaut, des diaphragmes de réglage peuvent être insérés dans les conduits, mais leur utilisation est moins souple.

Deux principes dirigent le travail :

Tous les débits d’une distribution restent proportionnels entre eux lorsque le débit en tête varie. Autrement dit, si une bouche est réglée pour diffuser un débit double de sa voisine, ce rapport restera quel que soit le débit qui les alimentera.
Ce principe va entraîner le réglage proportionnel de toutes les bouches d’une branche, puis toutes les branches entre elles, sans se soucier du débit effectif. En fin de travail seulement, le débit total souhaité sera réglé au ventilateur… et donc automatiquement à toutes les bouches.
Après équilibrage de l’ensemble, la consommation d’électricité est la plus faible :
- Si au moins un organe de réglage de bouche est totalement ouvert (c’est la bouche la plus défavorisée),
- si au moins un organe de réglage de branche est totalement ouvert (c’est la branche la plus défavorisée),
- et si le registre du ventilateur est ouvert totalement (à partir du moment où le ventilateur a été correctement dimensionné).

Un exemple vaut mieux qu’un long discours :

Calculs

Un programme de simulation de l’équilibrage d’un réseau aéraulique vous permet de tester la méthode, en vous amusant !

Objectif ? En agissant sur les ouvertures de vannes, il faut obtenir les débits souhaités en adaptant les débits réels.

Suggestion : Imprimer préalablement le mode d’emploi ci-dessous pour l’avoir à côté de soi lors de l’utilisation du programme.

Méthodes d’équilibrage de l’installation

Mode d’emploi de l’équilibrage

Commencer par ouvrir tous les organes d’équilibrage du réseau (bouches, têtes des branches, registre du ventilateur). Sur le terrain, il faudra maintenir le registre du ventilateur à une position proche de la fermeture pour ne pas dépasser la limite de charge du ventilateur (à contrôler par la mesure du courant absorbé par le moteur). Dans les réseaux à débit variable, placer les points de consigne des régulateurs de débit à leur valeur maximale.
Réaliser un premier ajustement des débits (régler approximativement le ventilateur pour que son débit soit légèrement supérieur (10 %) à sa valeur nominale, approcher l’équilibrage en tête des branches par un premier réglage grossier). Cette opération permet d’arriver plus facilement au bon résultat sur le terrain. Elle ne doit pas être faite sur le programme de simulation.
Attaquer une branche (de préférence la branche la plus défavorisée) : repérer la bouche la plus défavorisée (voir remarque ci-dessous), mesurer son débit, laisser son réglage ouvert à 100 %, puis régler le débit de toutes les autres bouches de la branche à un débit proportionnel à celui de la bouche la plus défavorisée. Tous les débits obtenus seront incorrects en valeur, mais corrects dans les proportions entre eux.
Procéder de même pour chaque branche.
Régler les registres des têtes de branches de la même manière : les proportions entre branches doivent être correctes, en vous référant à la demande de la branche la plus défavorisée pour laquelle le registre reste ouvert.
Enfin régler le débit du ventilateur à la valeur totale souhaitée. Normalement, si le ventilateur a été correctement dimensionné ou s’il dispose d’un régulateur de débit, le registre du ventilateur devrait rester ouvert à 100 %. Freiner après le ventilateur, c’est appuyer en même temps sur l’accélérateur et le frein d’une voiture…

Exemple pratique.

Dans le programme de simulation, prenons les 2 dernières bouches de la 3^ème branche : elles demandent toutes deux 800 m³/h de débit. Or, sans toucher aux autres organes de réglages, l’une donne 416 m³/h et l’autre 219 m³/h. Fermons l’avant-dernière bouche jusqu’à 82,2 % d’ouverture. Cette fois, les 2 dernières bouches donnent 285 m³/h. Ce n’est donc pas le débit demandé, mais le rapport des débits entre eux est correct : l’avant-dernière bouche donne 100 % de la dernière, l’objectif du réglage est atteint. Après avoir réalisé le même travail avec toutes les autres bouches, il suffira d’adapter le débit total pour que tous les débits soient corrects.

Remarques.

Toucher au débit d’une bouche, c’est modifier le débit de toutes les bouches ! Le réglage est donc plus facile à faire sur ordinateur que sur le terrain : l’ordinateur calcule en permanence le rapport entre tous les débits. Sur le terrain, il faut travailler à deux, l’un restant à la dernière bouche durant tout le réglage de la branche et communiquant à son collègue l’évolution du débit…
Le programme de simulation permet de visualiser de façon didactique les étapes d’un équilibrage de réseau. Il n’est pas destiné à prédire le réglage d’un réseau déterminé… On ne peut donc y intégrer les données particulières de son propre bâtiment.
Ce type de travail est bien adapté aux réseaux pour lesquels la perte de charge des bouches est importante par rapport à la perte de charge des conduits. C’est souvent le cas pour les installations de conditionnement d’air, ce sera sans doute plus difficile dans le cas des réseaux de ventilation.
À la fin d’un équilibrage, il est utile de consigner par écrit les valeurs réglées : débits des bouches, pressions en amont des registres, tension, intensité et vitesse du ventilateur, température du réseau lors de l’opération,…
Il existe des bouches auto-régulatrices : dans une plage de pression donnée, le débit est maintenu relativement constant, ce qui facilite fortement l’opération, voire la rend inutile…
On entend par « bouche la plus défavorisée », celle qui est soumise à la plus faible pression différentielle pour des débits réglés à leur valeur nominale : c’est souvent la bouche la plus éloignée, parce que le trajet le plus long entraîne les pertes de charges les plus élevées. Mais cela peut être parfois l’avant-dernière bouche qui aurait un débit plus élevé et donc également des pertes de charges plus importantes.

Calculs

Si vous faites partie de ceux qui vont toujours voir les réponses à la fin sans chercher, il est possible de visionner le résultat de l’équilibrage… déjà tout fait par un autre ! Il faut admettre que vous avez déjà lu jusqu’ ici…

Posted By : Energie-Plus 27 Août, 2015

Groupe de ventilation

Composition

Le groupe de ventilation correspond à un caisson permettant de centraliser, en un même endroit accessible, la plupart des composants principaux de la ventilation hygiénique suivant le projet.

Dans le cas où le système permet de traiter l’air neuf et de climatiser les locaux on parlera plus souvent de caisson de traitement d’air (CTA).

Les principaux composants que l’on peut retrouver dans le groupe de ventilation ou le caisson de traitement d’air sont les suivant :

Accessibilité et emplacement

Le groupe de ventilation ou la centrale de traitement d’air rassemble un certains nombre des composants d’un réseau de ventilation. C’est pourquoi, peu importe son emplacement, il doit impérativement rester accessible afin de permettre les contrôles, entretiens, inspections, nettoyages, réglages, remplacements, … périodiques et nécessaires.

De manière générale, le groupe de ventilation peut se trouver :

soit à l’extérieur du bâtiment, bien souvent en toiture,
soit à l’intérieur d’un local technique, situé également en haut du bâtiment pour favoriser les prises et rejets d’air.

Mais le plus important est de savoir s’il se situe à l’intérieur ou à l’extérieur du volume protégé et isolé du bâtiment.

Situation dans le volume protégé

C’est la situation la plus recommandée.

Avantages

Si le groupe de ventilation est proche de l’enveloppe, le nombre et la longueur des conduits à isoler sont limités.
Le risque de condensation est réduit dans les conduits d’évacuation.
Le risque de givre est réduit pour la récupération de chaleur.
L’alimentation électrique est interne au bâtiment : pas de percement de l’enveloppe.

Inconvénients

Les conduits de prise et de rejet d’air à l’extérieur perce l’enveloppe isolée et étanche du bâtiment.
L’air froid extérieur entre vie les conduits; les parties de conduits situées entre l’enveloppe et le groupe de ventilation ou le caisson de traitement d’air doivent isolées pour éviter tout risque de condensation ou de refroidissement de l’ambiance intérieure.
De même ces portions de conduits doivent être limités au maximum ce qui peut s’opposer à un emplacement central du groupe de ventilation qui est bénéfique pour la distribution de l’air neuf au sein du bâtiment et à une limitation des pertes de charges.
Le local technique devrait être suffisamment grand, permettre l’accessibilité et l’entretien du caisson et être correctement isolé acoustiquement pour éviter la propagation des bruits des ventilateurs dans le bâtiment.

Situation hors du volume protégé

Il s’agit d’une situation courante mais peu recommandée.

Avantages

Si le groupe de ventilation est proche de l’enveloppe, le nombre et la longueur des conduits à isoler sont limités.
Le groupe est généralement situé en toiture (plate) ce qui permet de disposer de suffisamment de place et de limiter les portion de conduit de distribution à isoler.
Un local technique n’est pas nécessaire mais il faudra veiller à ce que le caisson de traitement d’air soit protéger des intempéries.
Les conduits de prises et rejets d’air sont limités à leur maximum voir quasi inexistants.

Inconvénients

Les conduits de distribution perce l’enveloppe isolée et étanche du bâtiment.
L’air traité au sein du groupe circule dans le conduits de distribution situé à l’extérieur; les parties de conduits situées entre l’enveloppe et le groupe de ventilation ou le caisson de traitement d’air doivent isolées pour éviter de détruire le traitement de l’air effectué au sein du caisson.
Un endroit suffisamment grand et accessible doit être disponible, ce qui n’est pas toujours le cas.
L’alimentation électrique est interne au bâtiment : de percement de l’enveloppe.
Le caisson de traitement d’air est parfois visible ce qui n’est pas toujours très au goût des occupants ou architectes.

Posted By : Gregory Leonard 5 Août, 2015

Appareils de filtration de l’air vicié

Principes et techniques de filtration

L’air vicié des cuisines est chargé en graisses, odeurs et fumées, notamment.

De manière à rejeter l’air le plus propre qui soit et à ne pas salir inutilement les filtres et le système de ventilation, divers appareils de traitement de l’air aspiré peuvent être installés. On distingue plusieurs technologies :

La filtration mécanique : les graisses sont récoltées grâce à certains principes physiques : choc, inertie, gravité, … dans des séparateurs de graisses.
La filtration biologique : les graisses sont « digérées » par un brouillard d’enzymes.
La filtration UV : les graisses sont détruites par effet de photolyse.
La filtration par brumisation : les graisses sont récoltées par agglomérations dans un nuage de vapeur d’eau.
La filtration électrostatique : les particules de fumées et de graisses sont récoltées par ionisation.
La filtration à charbon actif : les particules des odeurs sont retenue par la poudre de charbon actif.

Chacune des techniques de filtrations à ses caractéristiques propres pour extraire les particules de l’air rejeté. Aucune n’est efficace pour extraire à la fois les graisses, les fumées et les odeurs. Par exemple, les séparateurs de graisses ne peuvent pas filtrer les graisses à 100% et laissent passer les fumées et les odeurs, des systèmes secondaires ont été élaborés comme la filtration par UV ou biologique.

C’est pourquoi, plusieurs systèmes de filtration différents doivent être installés en série pour purifier l’air rejeté au maximum.

Une même règle est d’application pour tous ces systèmes: l’installation et l’entretien doit se faire par des professionnels.

La filtration mécanique

Les graisses sont extraites de l’air par chocs, effet d’inertie, centrifugation et gravité. On distingue deux technologies :

Les filtres qui sont des outils de filtration où les graisses restent emprisonnées, par exemple : filtre à treillis, filtre à choc ou filtre à charbon actif, …

Les séparateurs de graisses qui sont des outils de filtration ou les graisses sont extraites de l’air et récoltées dans un bac à condensats ou une gouttière, par exemple le séparateur de graisses cyclonique ainsi que certains filtres à chocs (filtre à chocs 1 couche sans zones inaccessibles). Les séparateurs de graisses ne retenant pas ou très peu de graisses sur leurs surfaces, ils sont un atout pour la sécurité anti-incendie et pour l’hygiène (pas de souches de bactéries inaccessibles).

Les filtres

S’ils sont utilisés, ils doivent toujours être en acier inoxydable et être utilisés en combinaison avec des séparateurs de graisses. Les filtres à treillis sont interdits dans les cuisines professionnelles. Un filtre ne peut être utilisé dans une hotte en tant que seul moyen de filtration (prEN 16282) pour des raisons de sécurité anti-incendie.

Les filtres à chocs ou labyrinthe sont composés de profilés en quinconce qui interceptent les particules de graisse, principalement :

Par effet d’inertie : à chaque virage autour d’un profilé, les particules sont projetées en dehors du flux d’air.

Par condensation des particules sur les surfaces « froides ». Dès lors, le rendement s’accroît avec une diminution de la vitesse de l’air. Le filtre à choc est donc l’outil optimal pour la filtration de l’air dans des zones humides, genre laverie ou lave-casseroles.

Les filtres à treillis correspondent à des filtres plans composés d’un treillis de fils d’acier.

Filtre à choc (vue de face et en coupe).

Filtre à treillis métallique et filtre à choc.

Avantages

Leur faible coût.

Inconvénient

Une rétention importante des graisses à l’intérieur des filtres ce qui accroit le risque d’incendie s’ils ne sont pas régulièrement lavés. En outre, l’intérieur des filtres n’étant pas accessible, il faut les remplacer régulièrement.
Une variation de la perte de charge (et donc du débit) en fonction de l’encrassement.
Pour les filtres à chocs, un faible rendement de 50% sur les particules de 10µ pour les filtres à une couche (on peut monter à 60% dans le cas des 2 couches).

Le séparateur de graisses à chocs

Le séparateur de graisses à chocs se différencie des filtres à chocs classiques par le fait que les ailettes sont ouvertes aux extrémités. Ceci permet un écoulement des graisses récoltées et également le nettoyage total des surfaces du séparateur de graisses.

Ne retenant pas les graisses à l’intérieur le séparateur de graisses ne représente pas de risque en cas d’incendie au moment où les flammes l’effleurent.

Avantages

Une perte de charge (et donc un débit) constant(e) avec l’encrassement,
Un entretien facile en lave-vaisselle,
Faible risque de développement d’un feu de cheminée.

Inconvénients

Un faible rendement de 50% sur les particules de 10µ, d’autant plus que des séparateurs de graisses à 2 couches n’existent pas.

Le séparateur de graisses à effet cyclonique

Grâce à la forme des séparateurs, l’air vicié effectue continuellement une spirale dans le même sens, les particules de graisse et d’eau sont séparées par centrifugation et récupérées par gravité dans un collecteur.

Avantages

Un rendement maximal jusqu’à 90% pour des particules de 10µ.
Une perte de charge (et donc un débit) constant(e) avec l’encrassement,
Un entretien facile en lave vaisselle
Faible risque de développement d’un feu de cheminée.

Inconvénients

Un coût plus élevé

La filtration biologique

Ce système consiste à créer un brouillard d’enzymes agissant sur les graisses et les huiles détruisant ainsi tout résidu ayant passé le premier stade de filtration. Pour ceci un réseau de tubes et de buses est placé dans les plénums d’extraction, le gainage et le groupe. Deux modes de fonctionnement existent : aspersion en continu ou aspersion unique après le service.

Fonctionnement continu

Avantages

Élimine toutes les graisses dans l’air extrait et donc une grande partie des odeurs.
Récupération d’énergie thermique possible de manière optimale.
Supprime totalement les risques d’incendies, plus de dépôts de graisses, ce qui permet de revoir à la baisse les coûts d’entretien et les primes d’assurances
Entretien aisé simultanément avec l’entretien annuel obligatoire.
Le matériel, récupérateur + groupe restant propres, leur durée de vie est allongée.

Inconvénients

Comme le produit doit être utilisé en continu la consommation en produits biologiques, pour lequel on est lié au fabriquant, s’avère rapidement très onéreuse.
Ne peut être utilisé en combinaison avec un filtre à charbon actif.

Aspersion en fin de service uniquement

Avantages

Le gainage est nettoyé chaque soir, les risques d’incendie dans le gainage sont quasi nuls, ce qui permet de revoir à la baisse les coûts d’entretien et les primes d’assurances.
Le matériel, récupérateur + groupe restant propres, leur durée de vie est allongée.

Inconvénients

Peu d’inconvénients, sauf qu’il ne présente pas les avantages du fonctionnement à aspersion continue, donc :

Pas d’élimination des odeurs
Pas de récupération d’énergie possible, sauf par récupérateur moins efficace à large espacement d’ailettes.

La filtration par UV

Filtration par rayon UV dans les plénums d’extraction

En installant les lampes UV dans les plénums d’extraction l’effet de photolyse est combiné à celui de l’ozonolyse, détruisant ainsi 100% des graisses résiduelles. En éliminant toutes les graisses dans l’air d’extraction, une récupération de haute efficacité peut être installée dans le groupe d’extraction. Sans ceci, un récupérateur de chaleur se colmaterait rapidement, causant une consommation de l’ensemble du système supérieure à un système sans récupérateur de chaleur.

Avantages

Élimine toutes les graisses dans l’air extrait et donc une grande partie des odeurs.
Récupération d’énergie thermique possible de manière optimale.
Supprime totalement les risques d’incendies, plus de dépôts de graisses, ce qui permet de revoir à la baisse les coûts d’entretien et les primes d’assurances
Entretien aisé simultanément avec l’entretien annuel obligatoire.
Le matériel, récupérateur + groupe restant propres, leur durée de vie est allongée.

Inconvénients

Les rayons UV et l’ozone étant nocifs pour l’homme, des mesures pour éviter toute exposition doivent être prises.
Après la durée de vie des lampes UV celles-ci doivent être remplacées par le fabriquant. La durée de vie des lampes UV varient selon le fabriquant de 6000h à 13000h.

Filtration par rayon UV dans un caisson placé hors du flux d’air

L’effet est le même que les systèmes avec les lampes placés dans le flux d’air. Cependant l’effet de photolyse étant absent, l’efficacité de destruction des graisses résiduelles ne dépasse pas les 70%.

Avantages

Ce système peut être placé des années après l’installation des hottes de ventilation.
Récupération d’énergie possible. Un échangeur à large espacement (moins efficace) ou échangeur autonettoyant est alors impératif.
Mêmes avantages que les systèmes UV placés dans le flux d’air. Mais moins performant

Inconvénients

Idem à ceux des systèmes UV placés dans le flux d’air

Générateur d’ozone

Ce système à la même fonction que les systèmes de filtration par UV placés hors du flux d’air, sauf que la génération d’ozone se fait par un autre processus chimique.
Avantages et inconvénients idem aux systèmes de filtration par UV placés hors du flux d’air.

La filtration par brumisation

Dans le cas de cuissons à très hautes températures (par exemple pour les woks ou barbecues), les graisses sont décomposées en très fines particules et passent facilement à travers les systèmes de filtrations « classiques » (filtration mécanique, enzymatique et UV).

Ceux-ci sont donc inutiles et le système d’extraction est alors conçu avec une filtration par brumisation. Cette technique consiste à projeter un brouillard de fines gouttelettes dans le système d’extraction. Les graisses s’agglomèrent autour des gouttelettes et l’eau viciée est alors récoltée et évacuée.

Avantages

Un rendement élevé pour les particules les plus fines

Inconvénients

Un coût plus élevé
Le besoin de raccordement à l’eau et son évacuation
Un coût de consommation d’eau en cas de non-recyclage
L’entretien et le nettoyage du bac ainsi que la filtration de l’eau si un recyclage de l’eau est effectué (peu courant)

La filtration électrostatique

Le filtre électrostatique comporte deux zones opérationnelles : une zone d’ionisation et une zone collectrice. Par la traversée de la zone d’ionisation, toutes les particules sont chargées positivement : elles sont alors ionisées. Les lames du filtre qui constituent la zone collectrice captent la totalité des particules par un champ électrostatique (négatif) de forte puissance. Le filtre électrostatique permet donc également de capter les fumées.

Avantage

Élimination des fumées dans le flux d’air rejeté

Inconvénients

Bien que le filtre électrostatique permette également d’éliminer les graisses résiduelles, ceci est fortement à déconseiller. La graisse se colmatant dans la zone collectrice, celle-ci perds rapidement son efficacité. Un nettoyage journalier est conseillé si le filtre électrostatique est utilisé sans autre système de filtration secondaire.

La filtration à charbon actif

Le filtre à charbon actif permet d’éliminer toutes les odeurs dans le flux d’air rejeté.

Avantage

Le filtre à charbon actif est l’élément indispensable là ou un air d’extraction complètement sans odeurs est demandé.

Inconvénients

Le filtre à charbon actif est très cher à l’achat, un filtre préliminaire éliminant toutes les graisses est donc impératif. Tel que : UV dans le flux d’air, hors du flux d’air ou générateur d’ozone. Les systèmes à enzymes sont à éviter. Ainsi le filtre à charbon actif peut fonctionner sans problème jusqu’à 6 mois (UV hors du flux d’air ou générateur d’ozone) ou jusqu’à 2 ans (filtre UV dans le flux d’air).
Bien que le filtre à charbon actif permette également d’éliminer les graisses résiduelles, ceci est fortement à déconseiller. La graisse se colmatant sur les particules actives du filtre à charbon actif, celui-ci perd rapidement de son efficacité. Un remplacement mensuel est alors nécessaire ce qui rendrait le système très onéreux

Comparaison des techniques de filtration

Système	Pare flamme	Coût d’installation	Coût d’entretien
Filtre à treillis	Non	€	€€€
Filtre à choc	Non	€	€€
Filtre à choc double	Oui	€€	€€
Séparateur de graisses à choc simple	Non	€	€
Séparateur de graisses cyclonique	Oui	€€	€
UV dans le flux d’air	Non	€€	€
UV hors du flux d’air	Non	€€	€
Générateur d’ozone	Non	€€	€
Enzymes en continu	Non	€€	€€€
Enzymes après le service	Non	€€	€
Filtre électrostatique*	Non	€€	€
Filtre à charbon actif**	Non	€	€€€

Légende :
= optimal
= utilisable
= déconseillé ou non-utilisable
* Les valeurs pour le filtre électrostatique ne sont valables que si un système d’élimination des graisses est prévu.
** Les valeurs pour le à charbon actif ne sont valables que si un système préliminaire de filtration par UV est installé.

Posted By : Energie-Plus 24 Juin, 2015

Concevoir les percements

Principe général

Les jonctions telles que les percements (passage de conduite, caisson de volet, portes, baies vitrées, boîtiers électriques, …) sont toujours des points délicats. On doit vérifier la parfaite jonction du raccord entre la paroi et le percement dès que ce dernier touche la ou les couche(s) de la façade qui assure l’étanchéité à l’air. Si cette jonction présente des espaces, il faut les colmater.

De manière générale, on essayera de réduire au maximum le nombre de percements.

Manchons et fourreaux

Les manchons

Les manchons sont des raccords préfabriqués permettant de réalisé la continuité entre l’élément cylindrique, le conduits ou tuyau, et la surface plane de la paroi. Il est composé d’un élément en forme de cône tronqué, permettant le resserrage autour du conduit, qui est soudé à un élément plan.

Sa mise en œuvre nécessite une place suffisante autour du percement et de la conduite et doit être effectué par l’installateur concerné par la technique.

Le manchon est fixé à la couche d’étanchéité à l’air du mur ou de la toiture grâce à des bandes adhésives simples ou doubles face. Cela nécessite donc que le manchon soit adapté à la nature du pare-air mis en place.

Les fourreaux

Lors de la pose du gros-œuvre, des fourreaux peuvent être mis en place pour accueillir plus tard le passage d’un conduit.

Lorsque le conduit a été mis en place, on dispose un resserrage sur le fourreaux et finalement un manchon souple vient terminer et réaliser la continuité de l’étanchéité à l’air entre l’enduit intérieur et le conduit.

Bruxelles Environnement a édité à une vidéo illustrative du traitement des percements par les câbles et les conduits dans une paroi bois :

Etanchéité à l’air : Percements étanches par les câbles et les conduits – [Vidéo réalisée dans le cadre du projet Conclip, soutenu par Bruxelles Environnement].

Raccords souples

Les raccords souples sont très utiles pour les géométries plus complexes que les cylindres.

Sous forme liquide

Il s’agit ici d’appliquer un liquide effectuant le raccord d’étanchéité à l’air. Cette couche de jonction est renforcée par un géotextile permettant de reprendre les éventuels contraintes et d’éviter que la peinture ne se morcelle et que l’air puisse circuler.

Sous forme de ruban adhésif étirable

Des bandes de raccord plissées existent et permettent la jonction avec un conduit cylindrique. Ces bandes doivent ensuite être raccordées comme une jonction sec-sec avec la membrane pare-air ou une jonction sec-humide avec l’enduit.

Élément préfabriqué pour cheminée

Certains fabricants proposent des sorties de cheminée en toiture préfabriquées garantissant la continuité de l’étanchéité à l’air. Ces systèmes permettent également d’assurer la continuité de l’isolation thermique.

Posted By : Energie-Plus 24 Juin, 2015

Concevoir les menuiseries

Importance de l’étanchéité à l’air des menuiseries extérieures

Les portes et châssis extérieures peuvent déforcer l’étanchéité à l’air globale du bâtiment si leur étanchéité propre n’est pas suffisante. C’est particulièrement le cas si l’étanchéité courante de l’enveloppe extérieur est bonne. Ainsi les châssis peuvent être responsable de près de 50% des fuites d’air.

La perméabilité à l’air d’un châssis est testé en usine et la classe de perméabilité à l’air est généralement communiqué par le fabricant dans ses spécifications techniques.

La norme NBN EN 12207 définit 4 classes de perméabilité à l’air de la classe 1, la moins performante, à la classe 4, la plus performante. Dans une de ses études, le CSTC a montré que la plupart des châssis actuels atteignaient la classe 4 qui est la classe recommandée pour garantir un bonne étanchéité à l’air des menuiseries extérieures.

Performances recommandées pour l’étanchéité à l’air

Concernant les châssis, les STS définissent des niveaux de performance d’étanchéité à l’air (PA2, PA2B, PA3) recommandés en fonction de la hauteur du châssis par rapport au sol.

Voici un tableau (selon les STS 52) reprenant les valeurs de perméabilité à l’air recommandées, en fonction de la hauteur du châssis par rapport au sol :

Hauteur par rapport au sol

Perméabilité à l’air

0 à 10 m

10 à 18 m

18 à 25 m

25 à 50 m

> 50 m

PA2B (1) (3)

PA2B (3)

PA3

(1) Si il n’y a pas d’exigence particulière du point de vue thermique et/ou acoustique, on se contentera d’un niveau PA2.

(2) Si le bâtiment a une exposition sévère (digue de mer), on prendra un châssis de résistance PE3, et on le signalera dans le cahier spécial des charges.

(3) Si on est en présence de locaux avec air conditionné, un niveau PA3 s’avérera nécessaire.

Selon les STS 52 [5] le cahier spécial des charges peut, pour des raisons d’uniformisation ou d’aspect, prescrire le même niveau de performance pour tous les châssis du bâtiment en se basant sur les éléments de construction les plus exposés.

Les critères de choix

Lors du choix des menuiseries extérieures, il convient de faire particulièrement attention aux points suivant pour assurer l’étanchéité à l’air :

La compression des joints entre dormant et ouvrant : le réglage des quincaillerie doit être correctement réalisé pour assure la compression des joints lorsque la fenêtre est en position fermée;

La continuité des joints : la continuité des joints des être vérifiée sur le pourtour du châssis. Les jonctions entre deux joints doivent être soudées ou collées;

Le raccords entre les pare-closes et la menuiserie : l’étanchéité de ces raccords doit être vérifiés. Au besoin, ils peuvent être rendus étanche à l’air au moyen d’un joint souple, par exemple;

Les portes extérieures : le seuil d’une porte donnant vers un espace extérieur ou un espace adjacent non-chauffé est une source de fuite d’air importante. Il faut au minimum prévoir un joint brosse ou une plinthe à guillotine. Le mieux restant la pièce d’appui inférieure.

Posted By : Energie-Plus 24 Juin, 2015

Concevoir les noeuds constructifs

Principe général

Les jonctions telles que les raccords entre les éléments de la construction (façade-toiture, façade-plancher au niveau de la plinthe, …) sont toujours des points délicats. On doit vérifier la parfaite jonction du raccord entre les différents éléments de construction dès que ce dernier touche la ou les couche(s) de la façade qui assure l’étanchéité à l’air. Si cette jonction présente des espaces, il faut les colmater.

La conception ou la vérification de l’étanchéité à l’air des nœuds constructifs d’un bâtiment est une adaptation des principes généraux valables pour les parties courantes et les types de jonction mais une réflexion par rapport à la géométrie du détails doit également être menée.

Les procédés de conception de l’étanchéité à l’air d’un bâtiment décrits et expliqués ci-après sont en grande partie basée sur les détails et conseils techniques donnés par le CSTC dans ses diverses publications.

Façades

Pour assurer l’étanchéité à l’air des façades, les points importants auxquels il faudra faire attention sont les jonctions des murs extérieurs avec les planchers et murs intérieurs, en pied de mur mais également à l’intégration des menuiseries. Les solutions à apporter seront différentes suivant la structure, lourde ou légère, du bâtiment.

Jonction façade-plancher

Dans le cas d’une structure lourde, la continuité de l’étanchéité à l’air est assurée par les enduits des deux pièces superposées et la dalle de plancher en béton coulé. Une attention particulière au joint doit être apportée. Dans le cas de hourdis, il faut s’assurer que le béton de second phase doit correctement remplir les cavités sur le pourtour complet pour assure la continuité entre la maçonnerie, le béton et les enduits.

Dans le cas d’une construction légère, la position de la barrière à l’air doit être pensée dès la conception. En effet il faut prévoir une bande de pare-air à placer en attente sur les murs de pourtour horizontalement avant la mise en place des parois internes pour ensuite pouvoir effectuer le raccord entre les membranes pare-air de deux locaux superposés.

Deux cas existent:

soit le plancher repose sur le mur inférieur auquel cas la bande de pare-air doit être suffisamment longue pour recouvrir le mur intérieur sur une dizaine de centimètres, effectuer le tour du plancher et revenir sur une dizaine de centimètres au niveau de mur supérieur.

soit le plancher est ancré dans le mur de façade qui lui est continu du pied à la corniche auquel cas, la bande en attente, indispensable, doit être placée sur le pourtour là où viendra s’ancrer le plancher. Il conviendra de faire particulièrement attention aux percements et à ne pas déchirer le pare-air lors de la mise en place du plancher. Ce deuxième cas est également valable lorsque l’on isole par l’intérieur et que le plancher est désolidariser du mur extérieur.

Jonction façade-mur de refend

La jonction entre le mur extérieur et un mur intérieur perpendiculaire se fait par la continuité de l’enduit sur les deux faces. Toutefois, il convient de faire attention au encadrement de porte intérieur qui peuvent représenté des endroits de fuites s’ils ne sont pas enduits.

Dans le cas d’une construction légère, la position de la barrière à l’air doit être pensée dès la conception. En effet il faut prévoir une bande de pare-air à placer en attente sur les murs de pourtour avant la mise en place des parois internes pour ensuite pouvoir effectuer le raccord entre les membranes pare-air de deux pièces voisines. C’est le même principe, mais à la verticale, que dans le cas de la jonction façade-plancher.

Jonction façade-dalle de sol

Il convient de faire le raccord entre la dalle de sol coulée sur place qui est normalement intrinsèquement étanche à l’air et la partie courante du mur faisant office d’étanchéité à l’air : l’enduit dans le cas d’une structure lourde ou le pare-air dans le cas d’une structure légère.

On peut donc effectuer soit un raccord en enduisant un film d’étanchéité de sous la chape ou de sous l’isolant dans le plafonnage ou un disposant une couche de mortier périphérique effectuant le raccord entre l’enduit du mur et la dalle de sol.

La feuille d’étanchéité (9) faisant office de pare-air doit remonter suffisamment sur le bord pour être enduit par le plafonnage intérieur sur au moins 2 cm.

Mur de structure.
Bloc isolant.
Isolation sur dalle.
Joints verticaux ouverts.
Membrane d’étanchéité.
Membrane d’étanchéité.
Feuille d’étanchéité.
Feuille d’étanchéité.
Feuille d’étanchéité.
Interruption de l’enduit.
Enduit.

Dans le cas d’une structure légère, une bande pare-air sera placé sur le pourtour pour effectuer la jonction entre la dalle et la paroi légère avant la pose du pare-air du mur en partie courante.

Bruxelles Environnement a édité à une vidéo illustrative du placement d’une telle bande :

Etanchéité à l’air : Pied de mur ossature bois – [Vidéo réalisée dans le cadre du projet Conclip, soutenu par Bruxelles Environnement].

Dans le cas d’une isolation par l’intérieur, la continuité de l’étanchéité à l’air au pied du mur peut se faire en enduisant la membrane d’étanchéité de sous la chape dans le plafonnage ou en raccord avec le pare-vapeur du mur.

Mur existant.
Enduit existant.
Dalle existante.
Film d’étanchéité.
Isolant thermique.
Isolant périphérique.
Membrane d’étanchéité.
Chape armée.
Film d’étanchéité.
Isolant.
Pare-vapeur.
Finition.
Panneau composite.
Mousse isolante.
Carrelage.
plinthe.
Joint d’étanchéité.

Jonction façade-châssis

Les fenêtres et portes extérieures sont toutes autant des percements de l’enveloppe du bâtiment que de l’étanchéité à l’air. Si ces menuiseries extérieurs sont déjà garanties étanche à l’air, il convient d’assurer la continuité entre le châssis étanche et l’élément courant du mur faisant office d’étanchéité à l’air.

Le moyen le plus courant d’effectuer cette jonction est de fixer une membrane d’étanchéité à l’air sur le pourtour du châssis au moyen d’un adhésif avant sa pose. Cette membrane pourra, une fois le châssis en place, recouvrir le tour de la baie et être enduit par le plafonnage ou raccordé au pare-air en partie courante. Une attention particulière devra être portée au coin afin d’éviter les plis surnuméraires et de faciliter la mise sous enduit de la membrane.

Bruxelles Environnement a édité une vidéo illustrative de cette technique :

Etanchéité à l’air : Pose d’une fenêtre, mur en brique, avec isolation par l’extérieur – [Vidéo réalisée dans le cadre du projet Conclip, soutenu par Bruxelles Environnement].

La jonction d’étanchéité à l’air entre le dormant et l’enduit du mur peut également être réalisé avec un joint souple.

Dans le cas d’une structure légère ou d’un mur présentant une épaisseur d’isolation importante, un caisson en panneaux de bois ou en polystyrène haute densité peut être utilisé comme encadrement de la fenêtre. La continuité de l’étanchéité à l’air entre le châssis et le caisson est assuré par un joint continu ou une colle. Le raccord entre le caisson et la partie courante du mur grâce à une bande de membrane d’étanchéité à l’air faisant le pourtour et se noyant dans l’enduit du mur intérieur ou se collant sur le pare-air mis en place.

Toitures inclinées

La barrière d’étanchéité à l’air en partie courante est généralement réalisée avec le pare-vapeur. Il est en effet important d’éviter tout risque de condensation en toiture.

Dans la pente de toiture, la panne représente un point d’attention particulier. Il faut soigner son raccord ou son passage avec le pare-vapeur, le raccord peut se faire soit grâce à un lé en attente, soit en passant sous la panne, cas d’une rénovation par exemple, soit en l’interrompant et en effectuant une liaison avec la panne :

En faisant passer le pare-vapeur sous la panne de manière ininterrompue;

Schéma noeuds constructifs - toitures inclinées- 01.

Première couche d’isolant.
Deuxième couche d’isolant.
Pare-vapeur.

Au moyen d’une bande de pare-vapeur placée en « attente » sur les pannes avant la mise en place des chevrons. Les parties courantes peuvent alors y être collées au moyen d’un ruban adhésif double face. Cette solution est la plus efficace car elle est pensée dès la conception;

Schéma noeuds constructifs - toitures inclinées- 02.

Panne.
Chevron.
Pare-vapeur.
Latte.
Sous-toiture.
Contre-latte.
Couverture.
Bande de pare-vapeur en attente.

Au moyen d’un joint de silicone (uniquement entre pare-vapeur et charpente). Ce joint sera éventuellement caché par la finition;

Schéma noeuds constructifs - toitures inclinées- 03.

Panne.
Chevron.
Pare-vapeur.
Contre-latte.
Sous-toiture.
Latte.
Couverture.
Joint-colle.

En comprimant le pare-vapeur entre un joint souple et une latte, le tout cloué ou vissé;

Schéma noeuds constructifs - toitures inclinées- 04.

Pare-vapeur.
Latte.
Joint souple.

Au moyen d’un ruban adhésif double face adhérant parfaitement au bois.

La finition intérieure final par panneaux de bois ou, par exemple, plaques de plâtres. devra être posée en minimisant le nombre de point de percement du pare-vapeur et en laissant un espace suffisant de 6 cm pour faire éventuellement passer des câbles électriques et installer des prises sans endommager la barrière d’étanchéité à l’air.

Finalement, certaines techniques d’isolation comme la toiture « sarking » mettent en place des panneaux préfabriqués intégrant une couche interne étanche à l’air faisant office de pare-vapeur. Il faudra donc veiller à réaliser une jonction correcte entre les panneaux suivant les recommandations du fabricant ou en utilisant des bandes adhésives.

Jonction toiture-façade

Ce type de jonction est traité soit par recouvrement du pare-vapeur par l’enduit de finition intérieur soit par jonction du pare-vapeur du mur et de celui de la toiture par collage ou ruban adhésif double face.

Pour se prémunir de toutes les déchirures qui pourraient avoir lieu dû aux différentes natures de matériaux, on rajoute un élément faisant la liaison entre l’enduit et la maçonnerie et le pare-vapeur de la toiture. Il convient de laisser aussi suffisamment de souplesse, réalisation d’une « boucle » au pare-vapeur de la toiture lors du raccord.
La jonction entre l’enduit et la finition intérieure de la toiture est réalisée par un joint souple.

Schéma noeuds constructifs - Jonction toiture-façade.

Panne sablière.
Chevron ou fermette.
Planche de rive.
Cale de bois.
Panneaux isolants.
Isolant entre chevrons ou fermette.
Sous-toiture éventuelle.
Contre-latte.
Lattes.
Latte plâtrière.
Couverture.
Gouttière.
Bavette indépendante.
Peigne.
Finition intérieure.

Jonction toiture-pignon

La jonction de la toiture avec un mur de maçonnerie sur le pignon s’effectue en enduisant le pare-vapeur dans la finition intérieure.

Schéma noeuds constructifs - Jonction toiture-pignon.

Isolation
Chevron ou fermette
Isolation ou bloc isolant
Mortier de scellement
Sous-toiture
Contre-latte
Latte
Rejet d’eau
Tuile de rive
Isolant entre chevrons
Pare-vapeur
Finition intérieure

La continuité de la barrière d’étanchéité à l’air peu aussi être réalisée par le collage au moyen de colle ou de ruban adhésif du pare-vapeur de la toiture sur l’enduit sec et propre du dépassement. Dans ce cas une finition intérieur supplémentaire devra être envisagée si les combles sont destinés à l’occupation.

Dans les deux cas, il convient de laisser suffisamment de souplesse au pare-vapeur pour éviter tous risques de déchirure dus aux contraintes qui peuvent apparaître. Un joint souple sera en plus prévu entre l’enduit de la maçonnerie et la finition intérieure de la toiture.

Jonction toiture-châssis

La plupart des châssis à intégrer dans la pente de toiture sont fournis avec un cadre isolant pour permettre la raccord avec l’isolation de la toiture. De même, un pourtour est préfixé au châssis pour faciliter sont intégration et réaliser la jonction avec le pare-vapeur de la toiture inclinée.

Schéma noeuds constructifs - Jonction toiture-châssis.

Contre latte.
latte.
Tuiles.
Solin au-dessus des tuiles à la base du châssis.
Raccord de la sous-toiture au châssis.
Partie mobile de la fenêtre.
Vitrage isolant.
Étanchéité en plomb ou chéneau encastré.
Raccord sous-toiture châssis.
Chéneau en amont de la fenêtre.
Isolation thermique.
Étanchéité à l’air et à la vapeur.
Volige de pied.
Partie fixe de la fenêtre.
Sous-toiture.
Chevron.
Finition intérieure devant espace technique.
Cadre isolant.

Toitures plates

La réalisation de la continuité de l’étanchéité à l’air au raccord entre une toiture plate et le mur de façade se fait de manière similaire à une jonction entre la façade et un plancher :

dans le cas d’une structure lourde par dalle coulée sur place, la continuité de la maçonnerie et de l’enduit de finition intérieur garantit l’étanchéité à l’air;

Exemple de continuité de l’enduit dans le cas d’une continuité mur-toiture plate

dans le cas d’une structure lourde par hourdis, le béton de seconde phase sera utile pour effectuer le raccord de la barrière à l’air;

dans le cas d’une structure légère avec le plancher ancré, un lé en attente fera la liaison avec le pare-vapeur de la toiture;

dans le cas d’une structure légère avec le plancher posé sur le mur, le lé en attente fera le contour du plancher et dépassera suffisamment de chaque côté pour être relié au pare-vapeur du mur d’un côté et à celui de la toiture de l’autre.

Dans tous les cas, un joint souple entre les finitions intérieures du mur et du plafond permettra d’éviter l’apparition de fissures pouvant entraîner des fuites d’air.

Posted By : Energie-Plus 24 Juin, 2015

Concevoir l’étanchéité à l’air

L’étanchéité à l’air : Daniel De Vroey vous conseille from Bruxelles Env. on Vimeo.
L’étanchéité à l’air est méconnue des professionnels car on ne la perçoit pas. Il est pourtant essentiel d’y penser, et ce à toutes les étapes de son projet.

Points d’attention

Avec l’isolation de plus en plus performante de nos bâtiments, leur étanchéité à l’air devient un point important pour contrôler les infiltrations et exfiltrations d’air et avec elles, certaines pertes d’énergie. La tendance actuelle est donc à une étanchéification la plus complète afin de pouvoir contrôler au mieux ces fuites d’air et de pouvoir assurer d’une ventilation efficace des locaux.

Les enduits intérieurs, les bétons coulés sur place et les membranes pare-vapeur sont des éléments intrinsèquement étanche à l’air. L’étanchéité complète de l’enveloppe doit donc être conçue en faisant très attention aux jonctions de ces éléments entre eux et avec les autres éléments de la construction.

Pour cela la mise en œuvre de l’étanchéité à l’air doit faire l’objet de certains points d’attention dès la conception mais aussi sur chantier.

On considère que l’étanchéité à l’air de l’enveloppe extérieur est assurée si :

Ainsi, il conviendra particulièrement de faire attention aux points suivants :

Les procédés de conception de l’étanchéité à l’air d’un bâtiment décrits et expliqués ci-après sont en grande partie basés sur les détails et conseils techniques donnés par le CSTC dans ses diverses publications.

Niveaux de référence

Étanchéité globale

En Wallonie, il n’existe pas de recommandations concernant l’étanchéité à l’air globale d’un bâtiment.

Par contre, la norme européenne EN 13779 recommande un taux de renouvellement d’air maximum à 50 Pa (n50) :

de 1/h pour les bâtiments hauts (> 3 étages);
de 2/h pour les bâtiments bas.

On peut également se référer à la norme NBN D 50-001 qui recommande :

n₅₀ < 3/h si ventilation mécanique,
n₅₀ < 1/h si récupérateur de chaleur.

À titre de comparaison, la région de Bruxelles-Capitale imposera en 2018 un niveau d’étanchéité à l’air n₅₀ < 0.6/h (label passif) pour toute construction neuve, et n₅₀ < 0.72/h pour les rénovations assimilées à de la construction neuve.

Étanchéité des fenêtres

En Belgique, les bâtiments des services publics doivent satisfaire aux exigences d’étanchéité suivantes :

Hauteur du bâtiment (h en [m])	Φ₅₀ [m³/h.m]
h < 10	< 3,8
10 < h < 18	< 1,9
h > 18	< 1,3

Source : STS 52 – Menuiseries extérieures en bois. Fenêtres, porte-fenêtres et façades légères. Institut national du logement – Bruxelles – 1973.

Ces exigences sont relativement sévères par rapport aux autres pays (seuls les pays scandinaves ont des exigences plus sévères).

La figure ci-dessous donne un aperçu des valeurs d’étanchéité à l’air des menuiseries imposées par un certain nombre de pays occidentaux.

Aperçu des exigences d’étanchéité à l’air des menuiseries dans différents pays occidentaux.

Les parties courantes

Volume à étanchéifier et position de la barrière d’étanchéité

Le volume du bâtiment à rendre étanche à l’air est le volume à isoler thermiquement. Ainsi l’écran étanche à l’air doit être placé au plus près de la barrière d’isolation, pour éviter au maximum les circulations d’air entre les deux écrans, du côté chaud de l’isolant, c’est-à-dire du côté intérieur pour un mur extérieur.

Tout comme l’isolation thermique, la position de l’enveloppe étanche à l’air du logement doit être choisie pour éviter le plus de percements de celle-ci et donc éviter des points faibles et des raccords difficiles à mettre en œuvre.

Matériaux de l’étanchéité à l’air

Chaque système constructif présente ses particularités d’un point de vue structurelle, ainsi la conception de l’étanchéité à l’air variera selon le mode de construction choisi : maçonnerie, ossature lourde, ossature bois, structure légère, etc.

Il est admis qu’un matériau est étanche à l’air quand sa perméabilité à l’air est inférieure à 0,1 m³/h.m² sous une différence de pression de 50 Pa.

Ainsi pour les constructions lourdes ou de maçonneries, l’étanchéité à l’air est réalisée au moyen des enduits intérieurs. Dans le cas des constructions légères, telles les ossatures bois, l’étanchéité à l’air peut-être atteinte grâce aux panneaux de bois et au pare-vapeur. Les bétons coulés et les chapes de béton font aussi office d’écran étanche à l’air.

Au contraire, des matériaux comme les maçonneries ou les lambris ne sont pas suffisamment imperméables à l’air et ne peuvent pas être utilisés pour mettre en œuvre la barrière d’étanchéité à l’air du bâtiment !

Remarque : les isolants souples avec feuille étanche à l’air (ex. aluminium) ou les isolants rigides étanches à l’air ne devraient pas non plus être utilisés comme écran à l’air. En effet, les techniques de mise en œuvre d’un isolant souple nécessitent généralement l’ajout d’une structure secondaire ou une installation entre chevrons. Dans ce cas-là, un pare-air supplémentaire sera toujours nécessaire pour assurer l’étanchéité des joints et jonctions. C’est également le cas pour les isolants rigides même si leur performance d’étanchéité à l’air est élevée.

L’enduit intérieur

Les enduits intérieurs n’ont pas qu’une qualité esthétique ! Ils ont une performance d’étanchéité à l’air élevée pour autant que l’épaisseur soit suffisante et que l’enduit ne se fissure pas (les fissurations peuvent être une source de fuites d’air). C’est pourquoi, on privilégie une couche minimale de 6 mm d’épaisseur lors de sa pose.

Lors de la conception et la pose du plafonnage ou de l’enduit, il convient de faire particulièrement attention aux endroits cachés : derrière une plinthe, un encadrement de porte ou de fenêtre, derrière une gaine, un mur de brique apparent, … Il faut veiller à la continuité de l’étanchéité à l’air même en ces endroits-là.

L’enduit intérieur fait office de barrière d’étanchéité à l’air lors de la conception d’un mur creux dont les éléments (briques, blocs de béton,…) sont très peu étanches à l’air dû aux cavités présentes dans la matière.

Remarque : les plaques de plâtres sont étanches à l’air en elles-mêmes, mais la réalisation de joints est difficile et les apparitions de fissures à ces endroits sont fréquentes.

Le pare-vapeur ou pare-air

Pour les structures bois et plus généralement pour les structures légères, ce sont les membranes films souples les plus utilisées comme écran à l’air. Dans ce cas-là, la membrane combine les fonctions de pare-vapeur et d’étanchéité à l’air.

Dès lors comme pour les pares-vapeurs, les points d’attention se situeront principalement aux joints de raccord entre les lés de deux parties courantes. De même, les jonctions entre le pare-air et les autres éléments de la construction sont importantes pour garantir l’étanchéité complète du bâtiment.

Les panneaux de bois

Pour une construction en ossature bois ou en panneaux de bois pleins, il n’est pas rare que des panneaux de bois servent à rigidifier la structure. Ces panneaux sont composés de fibres de bois ou de fibres de bois et ciment. Certains ont une perméabilité à l’air inférieur à 0,1 m³/h.m² sous 50 Pa. Ainsi comme les enduits intérieurs n’ont pas qu’une fonction esthétique, ces panneaux de bois n’ont pas qu’une fonction structurelle et peuvent faire office de barrière étanche à l’air.

Dans ce cas, la mise en œuvre devra particulièrement faire attention à ce que les joints entre les panneaux soient rendus étanches à l’air également !

Le béton coulé

Comme les enduits, le béton coulé in situ présente des performances d’étanchéité à l’air importantes. Il convient également de porter une attention particulière aux joints et au jonctions périphériques.

Les jonctions

Pour concevoir efficacement l’étanchéité à l’air d’un bâtiment, il faut correctement réaliser les jonctions et joints entre les parties courantes. Les matériaux utiles à la mise en œuvre de l’étanchéité à l’air sont de type : enduits, films ou panneaux.

On distingue ainsi trois types de jonctions possibles à mettre en place :

la jonction sec-sec, par exemple entre deux panneaux de bois;
la jonction sec-humide, par exemple entre un film et un enduit;
et la jonction humide-humide, par exemple entre deux enduits de façades.

La jonction sec-sec

Ce type de jonction est réalisé au moyen de colle, mastic, bande adhésive ou avec un élément de compression mécanique.

La jonction sec-sec peut être réalisée entre :

deux lés de pare-air par un ruban adhésif simple ou double face, par une latte de serrage support par un collage ou par agrafe sur support.
un lé de pare-air et une surface d’enduit sec par collage ou ruban adhésif.
deux panneaux de bois par joint souple ou ruban adhésif.
deux surfaces d’enduit sec par un joint souple.

Dans le cas du raccord entre deux bandes de membranes pare-air, il convient de :

vérifier la propreté des parties à coller, souder ou compresser;
assurer un chevauchement suffisant des parties. Le ruban adhésif ou la colle ne sont que des moyens de jonction et ne peuvent pas être considérées comme des membranes étanches à l’air même si elles le sont;
si la structure est en bois, les membranes peuvent être agrafées mais celle-ci devront être recouvertes de ruban adhésif;
éviter de tendre la membrane d’étanchéité, afin de ne pas lui imposer des contraintes qui pourraient mener à des déchirures.

Ruban adhésif

Latte de serrage

Remarque : dans le cas ou les lés sont perpendiculaires à la structure, la jonction doit s’effectuer sur un support généralement souple comme de l’isolant. Un assemblage soit par chevauchement soit par joint debout et collage ou moyen de colle ou ruban adhésif double face avec une grande précision doit être réalisé.

La jonction sec-humide

Une jonction entre un film pare-air ou un panneau de bois et le mur enduit peut devoir être réalisée entre les menuiseries et la façade ou par exemple entre la toiture et le mur de pignon.

La membrane, partie sèche, doit être « noyée » dans l’enduit, partie humide, pour garantir la continuité de la barrière d’étanchéité à l’air. Il est donc nécessaire de prévoir un raccord suffisamment long, en attente, lors de la pose de la membrane pare-air en toiture ou au châssis pour effectuer le raccord.

La partie sèche doit pouvoir être enduite sans perdre ses caractéristiques physiques sans lui induire des contraintes qui pourraient la déchirée. Si ce n’est pas le cas, des bandes noyées existent et permettent de faire le raccords avec la membrane pare-air.

Exemple de jonction sec-humide de la toiture avec le mur de pignon : la membrane du pare-air a été laissée suffisamment longue pour ensuite être « noyée » dans l’enduit lors de la pose de celui-ci

Isolation
Chevron ou fermette
Isolation ou bloc isolant
Mortier de scellement
Sous-toiture
Contre-latte
Latte
Rejet d’eau
Tuile de rive
Isolant entre chevrons
Pare-vapeur
Finition intérieure

La jonction humide-humide

La jonction entre deux faces d’enduits, par exemple dans le coin d’une pièce est théoriquement la plus facile à réalisée, dans les règles de l’art du plafonneur.

Toutefois, le bâtiment doit pouvoir vivre et dans certains cas pour éviter l’apparition de fissures, deux parois doivent être désolidarisées, c’est particulièrement le cas à la jonction mur-plafond. L’enduit n’étant plus continu, on placera un joint souple afin de garantir la continuité de l’étanchéité à l’air.

Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

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.

Le bilan énergétique d’un meuble ouvert vertical positif
Méthode de calcul du bilan énergétique de meubles frigorifiques de type ouvert vertical positif.

Le bilan énergétique d’un meuble ouvert horizontal négatif
Méthode de calcul du bilan énergétique de meubles frigorifiques de type ouvert horizontal positif.

Le bilan énergétique d’un meuble fermé vertical négatif
Méthode de calcul du bilan énergétique de meubles frigorifiques de type fermé vertical négatif.
Les économies d’énergie par augmentation de l’épaisseur de l’isolant d’une chambre froide (xls) Fichier à dézipper.
Ce tableur permet de calculer les économies d’énergie par augmentation de l’épaisseur de l’isolant d’une chambre froide.

Les aspects techniques

Le danger de condensation sur la surface extérieure d’une paroi de chambre froide (xls)
Ce tableur permet de calculer l’épaisseur de l’isolation thermique d’une paroi de chambre froide pour éviter la condensation sur la surface extérieure.

Le danger de condensation sur le plafond d’un plancher supportant une chambre froide (xls)
Ce tableur permet de calculer l’épaisseur minimale d’isolant pour éviter cette condensation sur cette paroi particulière, et la puissance frigorifique imputable aux apports de chaleur par le plancher d’une chambre froide.

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.

La masse d’eau piégée par un évaporateur
Méthode de calcul de la masse d’eau générée au condensateur des meubles frigorifiques et de l’intérêt qu’il y a à la récupérer.

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).

L’isolation de la double enveloppe (xls)
Ce tableur permet de calculer la rentabilité de l’isolation d’une cuve de stérilisateur ou de générateur.

Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

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).

L’isolation de la double enveloppe (xls) Fichier à dézipper.
Ce tableur permet de calculer la rentabilité de l’isolation d’une cuve de stérilisateur ou de générateur.

Posted By : Sylvie 15 Juin, 2015

Cuisine collective [Calculs]

Le calcul des consommations d’un lave-vaisselle (ZIP) – Fichier à dézipper.
Estimer les consommations et la pointe quart-horaire de la laverie-vaisselle.

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Présentation

KNX

Bacnet

Protocole Dali

Modbus

M-Bus

Définition

Rôle

Fonctionnement général

L’enjeu de l’Interopérabilité

Les « bus terrain » (les câbles)

Les ondes radio

Le courant porteur en ligne (CPL)

Quelle différence avec la GTC ?

Quels sont les systèmes intégrés dans le bâtiment intelligent ?

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Les limites d’une intelligence informatique supervisée

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La variation de vitesse du compresseur

La mise à l’arrêt de cylindres

L’obturation de l’orifice d’aspiration

L’injection des gaz chauds

Tableau synthèse de sélection

Critères acoustiques

En local technique

En terrasse

Principe

Technologie des sondes géothermiques

Les systèmes fermés et ouverts

Forages géothermiques

Variantes : Sondes coaxiales en acier

Pieux géothermiques

Nappes horizontales

Cas particulier : le puits canadien

Schémas de principe

Free cooling direct

Recharge du sol par pompe à chaleur réversible

Systèmes ouverts

Exemples d’installations

Unités terminales associées

Étude d’un projet de géothermie

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

Pour exemple, voici quelques données moyennes :

Dimensionnement de l’échangeur de sol

Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet

(Rédaction : 2014)

En région wallonne

En région bruxelloise

Généralités

Comment éviter les ponts thermiques dans l’enveloppe d’une école rénovée ?

Introduction

Le bâtiment

Les différents modes d’isolation prévus

1. Isolation par l’extérieur de façade existante à l’aide de 30 cm de mousse de polystyrène expansé recouverte d’un crépi (850 m²)

2. Isolation par l’extérieur de façade existante à l’aide de 16 cm de mousse de polyuréthane en deux couches croisées dans des structures en bois recouvertes d’un bardage en ardoises artificielles (530 m²)

3. Isolation par l’extérieur de façade existante par placement d’une contre-paroi à ossature bois remplie de 36 ou 40 cm de flocons de cellulose qui ferme également les baies existantes non conservées. (200 m²)

4. Isolation par l’extérieur de nouvelle façade en pré-mur de béton de la salle de sport à l’aide de 20 cm de mousse de polyuréthane en deux couches croisées dans des structures en bois recouvertes d’un bardage en plaques de fibre-ciment (400 m²)

5. Isolation de plancher existant des combles par 50 cm de flocons de cellulose (950 m²) ou par 50 cm de mousse de polyuréthane projetée (1050 m²)

6. Nouvelle toiture plate sur la salle de sport comprenant deux couches isolantes 18 cm de mousse résolique en toiture chaude et 18 cm de flocons de cellulose sous le support en panneau de bois (450 m²)

Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et un châssis existant conservé

Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et un nouveau châssis

Angle de murs isolés par l’extérieur avec bardage et descente d’eau pluviale encastrée

Raccord de mur isolé par l’extérieur avec un nouveau châssis

1. Respect des U_max

3. Respect du critère E_W ≤ (90/45)