La climatisation 1° Faut-il climatiser ? Formation Responsable Energie

La climatisation

1° Faut-il climatiser ?

Formation Responsable Energie

Déperditions :

• Mur de façade : 0,4 W/m²K * 8 m² * (20-0) K + 1,5 W/m²K * 4 m² * (20-0) K = 184 W• Toiture : 0,3 W/m²K * 20 m² * (20-0) K = 120 W

TOTAL : = 304 W

Bilan thermique d‘hiver :

Exemple :bureau pour 2 personnes (4m x 5m x 3m)

surface au sol de 20 m², un jour ensoleillé, avec 0°C extérieur :

Apports :

• soleil fen. : 200 W/m² * 4 m² = 800 W

• 2 ordinateurs : = 260 W• Eclairage : = 200 W• 2 occupants : = 140 W

TOTAL : = 1400 W

Réflexion : en isolant nos bâtiments, n'avons-nous pas déplacé le problème de l’hiver vers l’été ?...

Comparons la consommation de deux immeubles de bureaux-type :- avec le mode constructif de 1960 - le même mais avec une enveloppe de l’an 2000

Exprimons leur consommation annuelle en fonction de la température extérieure :

Mais …. Consommation = Puissance x Temps

Consommation

T° extérieure

-10° 0° 10° 20° 30°

Puissance ?

A chaque T° ext. correspond

une Puissance de chauffage

ou de refroidissement.

Exemple pour une paroi :

Temps ?

( La T°ext. dépasse 24°C durant 150 h/an, soit 2 % du temps…)

A chaque T° ext. correspond un nombre d’heures durant l’année. Exemple pour Uccle :

Conclusion 1 : augmentation de la demande de refroidissement … mais surtout pour une T° extérieure comprise entre 15 et 24°C !

Consommation :

Bâtiment initial

0

100

200

300

400

500

600 équipement

éclairage

ventilos-convecteurs des locaux

ventilateurs de pulsion

préparation de l'air : énergie latente

préparation de l'air : énergie sensible

refroidissement des locaux

chauffage des locaux

Consommation du bâtiment

Consommation en énergie primaire

Coût de la consommation

Les consommateurs électriques sont amplifiés par le coût du kWh électrique :

kWh/m²/an

5

10

15

20

25

€/m²/an

Nécessité de développer une stratégie globale !

C’est d’abord la composition architecturale (vitrages, …), puis c’est l’équipement intérieur (bureautique, éclairage, … ), … qui créent la demande !

Pas de façades totalement vitrées,

Attention à la coupole horizontale, à l’atrium, …

Apports solaires par ciel serein

en fonction de l’orientation.

?

1° Conception de l'enveloppe ?

Une enveloppe double peau est une réponse coûteuse à un problème thermique que l’architecte a lui-même créé : la boîte de verre !

?

Oui à ce judicieux équilibre de lumière et de chaleur, …

et à la forte inertie intérieure !

Usage des protections solaires…

Ecrans plats

Contrôle de l’éclairement

2° Apports internes "light"

Refroidissement direct.

Conclusion : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° extérieure < 24°C,... le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir.

• Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling

• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle" = slab cooling

• Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule

Refroidissement indirect.

Climat33

Stratégie 1 : Le refroidissement direct par l'air

1.1 Free-cooling unilatéral

Un ratio minimum de 4% d’ouverture par rapport à la surface au sol est nécessaire.

1.1 Free-cooling

unilatéral

1.2 Free-cooling transversal

Cette fois, c’est le vent qui est le moteur.Un ratio de 2% d’ouverture par rapport à la surface au sol suffit.

Exemple : PROBE – CSTC Limelette


Protection solaire

Grilles de mai à septembre

0

5

10

15

20

2524

Jul

y

25 J

uly

26 J

uly

27 J

uly

28 J

uly

5 A

ug

6 A

ug

7 A

ug

8 A

ug

9 A

ug

10 A

ug

11 A

ug

12 A

ug

13 A

ug

14 A

ug

15 A

ug

16 A

ug

17 A

ug

18 A

ug

air

chan

ge p

er h

our

(h-1

)

cross ventilation single-sided, turn position single-sided, tumble position infiltration


Une façade « perméable » à l’air ?

Motoriser les ouvertures?

1.3 Free-cooling par tirage thermique

1.3 Free-cooling par tirage thermique

… avec extraction assistée par ventilateur

Exemple : IVEG

Des cheminées de ventilation naturelle

Exemple : IVEG

Faux-plafond partiel

--> Circulation d’air au dessus et en dessous du faux plafond

Isolation renforcée

Protections solaires efficaces

Exemple : IVEG

10

15

20

25

30

35

Sun, 18-06 Mon, 19-06 Tue, 20-06 Wed, 21-06 Thu, 22-06 Fri, 23-06

T_2A07 T_1A15 T_0A03 OUTSIDE


Rappel : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° ext. < 24°C, le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir.


• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle = slab cooling



Climat33

Refroidissement par eau (slab cooling) : principe

Chargement de la dalle en journée et déchargement la nuit

Refroidissement naturel de nuit+ groupe frigorifique d'appoint durant la canicule

… l'eau sort de la sonde à 10°C

Alternative : pompe à chaleur sur sonde géothermique en hiver et circulation d’eau froide en été :

Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en

oeuvre 1


oeuvre 2

Tuyaux placés au centre de la dalle.


oeuvre 3

Refroidissement par eau (slab cooling) : puissances émises

Dalle de béton de 30 cm, recouverte d'un tapis de 1,5 cm ( = 0,15).

Mode refroidissement : T° départ d'eau = 16°C T° retour d'eau = 20°C T° ambiante = 26°C (!)

Puissance froid : 57 W37 W/m² vers le bas et 20 W/m² vers le haut(<> plafonds froids : 80 W/m²...)

Mode chauffage : T° départ d'eau = 28°C T° ambiante = 20°C

Puissance chaud : 40 W22 W/m² vers le bas et 18 W/m² vers le haut

Relevés de température intérieure (vert), extérieure (gris) et température du point de rosée de l'ambiance (rose).

Refroidissement par eau (slab cooling) : résultats


Rappel : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° ext. < 24°C, le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir.


• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle = slab cooling



Exemple : école passive du Biéreau qui aurait une machine frigo en + !

Climat33

En résumé :

1.Isoler ? oui, mais le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir en été.

2.L’enveloppe ne doit pas générer des charges thermiques de plus de 50… 60 W/m²

3.Trois stratégies de refroidissement naturel : 1. l’air par les fenêtres, 2. l’eau dans le cœur de béton,

3. l’air neuf au sein de la climatisation.

LES ACTIVITÉS :• Accompagnement de l’esquisse et de l’avant-projet• Simulations thermiques et de l'éclairage naturel, évaluations

économiques• Audits dans la perspective d'une rénovation du bâtiment• Accompagnement du projet : plans, cahiers des charges, dossiers

de demandes de permis et d’appels d’offres• Accompagnement lors de l’exécution• Participation à la mise en route du bâtiment, formation des

gestionnaires et information des occupants• Suivi du bâtiment pendant l'occupation

Conseils et études en architecture durable

http://www.cenergie.be/cenergie/index.cfm?id=2

La climatisation

2° Son fonctionnement


Vous avez dit : "climatisation ?..

."

Exemple pour le local de 30 m³, un jour de canicule :

• soleil fen. : 300 W/m² * 2 m² = 600 W• soleil murs :10 W/m² * 10 m² = 100 W• Ordinateur : = 130 W• Eclairage : = 100 W• Occupant : = 70 W

TOTAL : = 1.000 W

Bilan thermique d'été :

Conclusions du bilan thermique :

1° puissance max de refroidissement = 1000 W pour 10 m²,

soit 100 W/m²

2° Soleil = 70 % des apports de chaleur !

Ne pourrait-on refroidir le local avec l'air hygiénique pulsé à 15°C ?

Hélas, non... Puissance = débit x c x T° = 3 m³/h.m² x 0,34 Wh/m³.K x (25-15) K = 10 W/m², soit 10% des besoins maximum de froid...

Souvent, une véritable climatisation est nécessaire.

On rencontre beaucoup de systèmes de climatisation différents.

Ils peuvent être regroupés en 3 familles :

1 : la climatisation "tout air" 2 : la climatisation "air + eau" 3 : la climatisation "directe"

Passons-les en revue :

Première famille : la climatisation "Tout Air"

De l'air est traité dans un gros groupe de préparation d'airet distribué dans tous les locaux.

Problème 1 :Pour atteindre les 100 W/m², il faut pulser 10 fois plus d'air à 15°Cque d'air hygiénique ! ... attention aux courants d'air froid...


Problème 2 :Pour économiser l'énergie, 90% de l'air sera de l'air recyclé et 10% sera de l'air neuf.


Problème 3 :La consommation des ventilateurs est très élevée aussi :

Ordre de grandeur :

Si l’énergie transportée = 100, le ventilateur = 20 ! Energie... qui sera convertie en chaleur !!!


Avantage : la climatisation "tout air" permet le "free cooling" du bâtiment.

Avec 1 kWh dans les ventilateurs, on peut créer 3,3 kWh de froid via l'air frais extérieur "gratuit", surtout la nuit.


Application 1 :on rencontre la climatisation "tout air" à Débit d'Air Constant (DAC) dans les cafeterias, salles de conférence, ... (car de toute façon, beaucoup d'air hygiénique y est requis).


Application 2 :on rencontre la climatisation "tout air" à Débit d'Air Variable (DAV)dans les locaux borgnes ou enterrés, les salles de réunions, ...


Nouvelle idée !

Séparons les problèmes : - un conduit d'air apportera seulement l'air hygiénique- le chaud et le froid seront apportés par de l'eau, eau chaude (60°C) ou eau glacée (6°C).

La famille des climatisations "air + eau" était née !

Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 1 : le ventilo-convecteur

Un ventilateur souffle sur 2 échangeurs, alimentés en eau chaude ou en eau glacée.

Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 2 : le plafond froid

De l'eau à 16° refroidit le faux-plafond, un radiateur chauffe en façade.

"frais à la tête, chaud aux pieds"

pas de ventilateur, donc pas de bruit , pas de courant d'air,

système "air + eau" donc régulation de T° par local

pas de condensation dans le local moins de risque bactériologique

Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 3 : la poutre froide

poutre statique

poutre dynamique

Des échangeurs de froid sont directement intégrés sous ou dans le plafond.

> Climatisation par poutres-froides dynamiques

poutre statique Attention aux coulées d’air froid…

poutre dynamique L’air "colle" au plafond (par effet dit Coanda)

Encore une nouvelle idée !

Lorsque le besoin de refroidissement est limité à quelques locaux, un climatiseur est installé : pas de fluide intermédiaire (air,eau), c'est une petite machine frigorifique qui travaille en direct.

Dans le local, un "évaporateur" fait du froid. A l'extérieur, un "condenseur" libère la chaleur.

La famille de la climatisation "directe" était née !

Troisième famille : la climatisation "directe" Exemple 1 : le climatiseur

L'"évaporateur" fait du froid.

Le "condenseur" évacue la chaleur.

Astuce : un climatiseur est réversible et peut travailler en "pompe à chaleur". D'où la possibilité de faire à souhait du chaud et du froid. C'est la climatisation DRV (Débit de Réfrigérant Variable).

Troisième famille : la climatisation "directe" Exemple 2 : le réseau DRV

Qu’en penser ? Grande souplesse, performance… mais fluide frigorigène dans les plafonds et dépendance de la marque pour la maintenance…

Fonctionnement en "équilibré"

Fonctionnement de la machine frigorifique ?

Partons du climatiseur

Evaporateur à l'intérieur

Condenseur à l'extérieur

Reprenons le climatiseur :

L'esthétique en prend parfois un fameux coup !

Application : le réfrigérateur dans la cuisine

Application : l'armoire de climatisation dans la salle informatique

La climatisation

3° Améliorer une installation existante


• Ratio :

débit d’air neuf pulsé / nombre de personnes effectiv. présentes ?

à ramener à 30 m³/h/pers. en modifiant le rapport des poulies

Chauffer 1.000m³/h/saison de chauffe demande 1.000 litres de fuel (horaire de bureau : 10h/j 5j/7)

Amélioration 1 : Réduire le taux d’air neuf

> Climatisation par poutres-froides dynamiques ?

Attention : les puissances frigorifiques des plafonds et poutres froides sont faibles;---> tendance à augmenter le débit d'air neuf ... très consommateur en hiver !

Amélioration 1 : Réduire le taux d’air neuf

Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité

Ne pas humidifier au dessus de 40% Ne pas déshumidifier en dessous de 65 %

Humidificateur à pulvérisation

Humidificateur à vapeur

Deux comportements thermiques différents :

• Traditionnellement, régulation des laveurs d'air par "point de rosée" :

Exemple : voici l'évolution pour une consigne de point de rosée de 14°C, une température de soufflage de 32°C et une consigne ambiante de 22°C

Solutions : • Dans un premier temps, il importe d'abaisser la température de

rosée en hiver et de la relever en été. Cela peut s'imaginer manuellement ou automatiquement par la régulation.

• Le fonctionnement de l’humidificateur sera asservi à une sonde d’humidité ambiante ou située dans la gaine de reprise commune.

• Imposer un arrêt total de l'humidification au-dessus d'un seuil de température extérieure : 8°C, par exemple.

• ...

>>> Voir détails dans Energie+

1° Amélioration de la régulation par point de rosée !


2° Limiter l'énergie de déshumidification

Solution : la batterie froide sera régulée en fonction de la température ambiante uniquement (et non pour la déshumidification).

Rem : sauf dans les cas où une déshumidification s'impose (les locaux climatisés par plafonds froids ou poutres froides, et les salles où le maintien de conditions d'ambiance strictes est nécessaire).


Amélioration 3 : Adapter les consignes de température Si production de chaud et de froid, prévoir une zone neutre !

Non Oui

Amélioration 4 : En mi-saison, abaisser au maximum la température de pulsion de l’air hygiénique

Si T°ext 15°C,

Si batterie de froid en marche,

Si Air pulsé à 20°C,

destruction d'énergie entre chaud et froid !

Amélioration 5 : augmenter la performance de la machine frigorifique

Extrait d’un catalogue de fabricant :

Extrait d’un catalogue de fabricant :

1°C en plus à l'évaporateur, c'est 3 % de consommation en moins.

1°C en moins au condenseur, c'est 3 % de consommation en moins.

Amélioration 5 :

augmenter la performance de la machine frigorifique

- augmenter la température d’évaporation

Application :

Choisir le refroidissement à haute température :• plafonds froids, poutres froides• ventilo-convecteurs dimensionnés

au régime 12-16°C au lieu de 6-11°C

• T° évaporateur adaptée en fonction de la saison

Exemple :

les plafonds froids dans les locaux de bureaux

En mi-saison, les plafonds froids peuvent travailler à haute température d’eau (entrée à 17°C et sortie à 19°C).

D'accord, la puissance de refroidissement sera plus faible que si T°eau classique de 15-17°…

Mais en mi-saison, les besoins sont plus faibles…

1er gain : moins devoir déshumidifier l’air ambiant

2ème gain : la T° de l’air extérieur est faible, surtout la nuit, ce qui permet un refroidissement naturel de l’eau dans un aérorefroidisseur.

T °air =

14°C

Et pendant les périodes de chaleur, le complément est assuré par une machine frigorifique:

pose d’une machine frigorifique en parallèle avec l’aérorefroidisseur .

Autre exemple : le free-chilling

Au départ , une installation traditionnelle …

Evaporateur

11°Ceau glacée

6°C

Condenseura eau

Tour de refroidissement

Solution 3 : le free-chilling

… qui est refroidie par de l’air extérieur à moins de 3° C:

Machine frigorifique à l’arrêt

11°Ceau glacée

6°C

Tour de refroidissement

Et si l’émetteur travailleau régime 15°-17°, le free-chilling peut se mettre en place dès que la T° ext. descendsous les 12°C !

Application :

Favoriser le travail à basse température du condenseur :• larges surfaces de condenseur,• tour de refroidissement fermée avec pulvérisation d'eau,• détendeur électronique capable de travailler sous faible

différence de pression entre la HP et la BP.

- diminuer la température de condensation

Contrôle qualité de l’échange au condenseur :

Ecart T°condensation – T° eau sortie :

max 6 à 10 K

Condenseur à air Condenseur à eau

Ecart T°condensation – T° air entrée :

max 15 à 20 K

Eviter la recirculation de l’air autour de la tour de refroidissement.

Au départ : Sélectionner des compresseurs dont le COP ( = rendement ) est élevé selon le standard Eurovent.

Groupe de production d'eau glacée Exigé Conseillé

Refroidissement par air / Monobloc / Refroidissement seul 2,30 2,55

Refroidissement par air / Monobloc / Réversible 2,35 2,60

Condenseur à air à distance / Refroidissement seul 2,95 3,25

Refroidissement par eau / Monobloc / Refroidissement seul 3,50 4,00

Refroidissement par eau / Monobloc / Réversible

· application eau glacée 12°C / 7°C 3,40 3,70

· application eau glacée 23°C / 18°C (refroidissement de sols) 4,45 4,80

Amélioration 6 : Machine frigorifiqueavec rendement élevé !

Puis maintenir ce COP dans le temps...

Pas spécialiste ? Demander le maintien du "COP" à la société de maintenance !Au-delà d'une puissance frigorifique de 150 kW, le COP devrait pouvoir être suivi : • compteur d’électricité

sur l’alimentation de la machine• compteur d'énergie entre l’entrée

et la sortie du réseau d’eau glacée.

Résumé ?

• Pour un bâtiment neuf– Rechercher les moyens de limiter la charge thermique avant de

procéder à la climatisation– si on décide de climatiser malgré tout, avoir en tête une stratégie

en matière de climatisation des bâtiments qui valorise l'air extérieur.

• Pour une installation existante– Vérifier les postes les plus consommateurs :

• le débit d'air neuf

• les consignes de température et d'humidité

• les destructions entre chaud et froid

• le bon échange au condenseur de la machine frigorifique

Plus de détails ?• dimensionnement, pertes de charges, niveau d'isolation, ... :

Cahier des Charges Energie+ (80 pages en HVAC !)

www.energieplus-lesite.be

• exploitation énergétique des installations :

"Guide à l'exploitation URE" dans Energie+

• cahier des charges Maintenance URE

disponible sur le site de l'IBGE

http://www.energieplus-lesite.be/

Comment écrire tous les critères de qualité énergétiquedans un Cahier des Charges de maintenance ?

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