LA-CLIMATISATION-EN-REGION-TROPICALE

EFFICACITE ENERGETIQUE
DE LA CLIMATISATION EN REGION TROPICALE
L'énergie électrique est précieuse dans les centres urbains des Pays du Sud. Il est donc
primordial de ne pas la gaspiller lors de la climatisation des immeubles tertiaires.
Ce guide constitue une première réflexion sur la mise en œuvre
- d'une conception des équipements adaptée aux besoins des pays tropicaux
- d'une exploitation soucieuse d'une utilisation rationnelle de l'énergie.
Par ailleurs, ce guide s'inscrit dans un projet plus global qui vise à :
- jeter les bases d'une réglementation thermique minimale.
En voici la table des matières :
Tome I : conception des nouveaux bâtiments
1 Une méthode de calcul simplifiée du bilan thermique de climatisation en climat tropical
2 L'évaluation des coûts globaux d'exploitation
3 Le choix des systèmes de climatisation : critères généraux
4 Le choix d'un climatiseur de local
5 Le choix d'une climatisation centralisée
6 La conception thermique des bâtiments climatisés : critères de performance
Tome II : exploitation des installations existantes
1 Le diagnostic global d'une installation de climatisation
2 L'amélioration d'un climatiseur
3 L'amélioration d'une installation de climatisation centralisée
4 L'amélioration de la machine frigorifique associée
5 Un contrat de maintenance avec clause « énergie »
6 Vers une réglementation thermique minimale de l'exploitation des bâtiments
et des systèmes
CONCEPTION DES NOUVEAUX BATIMENTS
- fournir des outils concrets aux acteurs de terrain, prescripteurs et techniciens,
TOME 1
- préparer le contenu de programmes de formation continue,
TOME 1 :
CONCEPTION DES NOUVEAUX
BATIMENTS
Ministère de la Région wallonne
EFFICACITE ENERGETIQUE
DE LA CLIMATISATION EN REGION TROPICALE
TOME 1 :
CONCEPTION DES NOUVEAUX
BATIMENTS
EFFICACITE ENERGETIQUE
DE LA CLIMATISATION EN REGION TROPICALE
TOME 1 :
CONCEPTION DES NOUVEAUX
BATIMENTS
Ministère de la Région wallonne
ISBN : 2-89481-012-1
Institut de l’énergie et de l’environnement de la Francophonie
56, rue Saint-Pierre, 3e étage, Québec (Qué.) G1K 4A1 Canada
Téléphone : (1 418) 692 5727 ; Télécopie : (1 418) 692 5644
Courriel : [email protected]
Site Web : http://www.iepf.org
PRÉFACE
Dans le cadre des activités de son Programme International de Soutien à la Maîtrise de l’Énergie (PRISME), l’Institut
de l’énergie et de l’environnement de la Francophonie (IEPF), organe subsidiaire de l’Agence intergouvernementale
de la Francophonie, a réalisé un grand nombre de formations sur les audits énergétiques dans les bâtiments, assorties d’études de cas permettant d’évaluer le potentiel d’économies d’énergies dans les pays membres du Sud. Ces
études ont permis d’identifier un potentiel variant selon les pays de 30% à 45% d’économies sur la facture énergétique. Toutefois, il apparaît que la majeure partie du potentiel d’économies d’énergie se retrouve dans les installations de climatisation qui représentent plus de 60% des gisements exploitables.
L’édition du guide Efficacité énergétique de la climatisation des bâtiments en région tropicale répond donc au souci
de mettre l’accent sur le poste de consommation énergétique le plus important dans les bâtiments des pays de la
Francophonie du Sud. C’est ainsi que, sous la coordination de MM. Jacques CLAESSENS, Chercheur à l’Université
Catholique de Louvain, pour la partie scientifique, et Jean-Pierre NDOUTOUM, Responsable du projet Maîtrise de
l’énergie à l’IEPF, pour la partie organisationnelle, une dizaine d’experts, particulièrement choisis pour leur connaissance des installations de climatisation en Afrique, ont participé à la rédaction de cet ouvrage.
Mais au-delà de la réalisation physique de l’ouvrage, l’Institut se propose de mener avec ses partenaires une stratégie globale d’intervention en matière de froid et de climatisation.
Tout d’abord, il faut considérer la version actuelle du guide Efficacité énergétique de la climatisation des bâtiments
en région tropicale de l’espace francophone comme évolutive. En effet, ce document est également disponible sur
le site Internet de l’Institut (www.iepf.org), où il fera l’objet d’une actualisation régulière, intégrant les nouvelles contributions d’autres spécialistes de ces questions. Lorsque les changements seront jugés suffisants, une seconde version de l’ouvrage pourra être éditée.
Ensuite, la structure du Tome I, traitant de la conception des nouveaux bâtiments conduit logiquement à l’élaboration d’une réglementation thermique minimale de la conception des bâtiments et des systèmes qui fait actuellement
l’objet d’une réflexion à l’Institut. De plus, l’approche proposée pour l’amélioration de l’exploitation des installations
existantes (Tome II) intègre un programme de formation continue des techniciens. Cette formation, domiciliée dans
un centre de formation du Sud, permettra à l’Institut de mettre au point et de valider un label «qualité énergétique»
pour les formations sur la climatisation.
Enfin, l’Institut s’attachera à promouvoir la réalisation de projets de terrain permettant d’évaluer le contenu et les participants aux formations. Il est entendu que l’objectif principal – la réalisation des économies d’énergie – ne saura
être atteint que lorsque les barrières techniques, institutionnelles et financières à la mise en œuvre de projets auront
été levées. À cet égard, PRISME développe plusieurs approches, en particulier la mobilisation de partenariats, la
recherche de financements et la promotion des entreprises et bureaux d’études spécialisés dans les services écoénergétiques.
Je ne saurais terminer mon propos sans adresser mes plus vifs remerciements à tous les rédacteurs, à leurs institutions respectives et au Ministère de la Région Wallonne dont la contribution a permis de concrétiser l’initiative. Je
formule le vœu que cet ouvrage puisse non seulement servir d’outil aux acteurs du secteur, mais également susciter des vocations, dans la jeune génération, pour les métiers émergents de l’énergie.
El Habib BENESSAHRAOUI
Directeur exécutif de l’IEPF
vii
PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE
Le guide Efficacité énergétique de la climatisation des bâtiments en région tropicale se présente sous la forme de
deux Tomes complémentaires:
• Le Tome I intitulé Conception des nouveaux bâtiments est consacré aux évaluations des bilans thermiques,
des coûts globaux d’exploitation du bâtiment, au dimensionnement et au choix d’un système de climatisation. Il répond à une préoccupation qui mériterait d’être mieux peu prise en compte dans nos pays
membres: comment tenir compte de la consommation d’énergie avant la construction du bâtiment.
• Le Tome II, qui traite de l’Exploitation des installations existantes, aborde les différentes interventions que
l’on peut réaliser pour améliorer l’efficacité énergétique du bâtiment. Il présente donc l’approche technique
traditionnelle, tout en introduisant le concept novateur de contrat de performance énergétique dans la maintenance du bâtiment.
La réalisation de cet ouvrage tient d’un pari à multiples facettes:
D’abord un pari sur la mobilisation de l’expertise: les dix experts francophones qui ont contribué à la rédaction de
cet ouvrage sont originaires de cinq pays différents (Région wallonne de Belgique, Burkina Faso, Cameroun, Côte
d’Ivoire, Sénégal) et exercent des professions différentes (Enseignants, Chercheurs, Directeur technique,
Responsable technico-commercial, Consultants…). Il a nous donc fallu trouver, malgré cette diversité d’expériences
et de pôles d’intérêt, la nécessaire convergence pour garantir la cohérence d’ensemble.
De plus, la forte représentation des experts africains constitue pour nous un des facteurs de succès de l’action du
Programme international de Soutien à la Maîtrise de l’Énergie (PRISME) dont l’un des objectifs consiste en l’implication de plus en plus poussée des acteurs et opérateurs du Sud.
Nous avons ensuite dû tenir un pari technologique: l’ensemble de l’ouvrage a été rédigé en utilisant les nouvelles
technologies de l’information et de la communication, c’est-à-dire par le truchement d’un site Internet où chaque
rédacteur, depuis son ordinateur, venait déposer sa contribution qui pouvait être alors relue et amendée par un autre
rédacteur. Cette procédure n’a d’ailleurs pas été sans mal, vu les difficultés d’accès en Afrique, souvent liées à des
problèmes de disponibilité du réseau ou de vitesse de transfert des données.
Le dernier pari, et sans doute le plus important, tient au contenu même du guide. En effet, si on peut, trouver dans
la littérature un certain nombre d’ouvrages traitant de l’efficacité énergétique dans la climatisation, force est de reconnaître que la plupart de ces documents ne font que très peu ressortir les spécificités liées à la conception et l’exploitation des installations en climat tropical, c’est-à-dire dans la majorité de nos pays membres. C’est un pari que
nous estimons partiellement gagné, tant il est vrai que les versions ultérieures du présent guide gagneront à approfondir cette composante.
ix
Par ailleurs, et malgré la diversité des climats tropicaux, nous avons décidé de ne réaliser qu’un seul guide, en y
intégrant au besoin les spécificités climatiques au sein des différents chapitres. Les zones climatiques retenues ont
été précisées par quelques villes. À titre d’exemple: climat tropical humide à Douala, Abidjan, Cotonou et Lomé; climat tropical sec à Bamako, Garoma et Korhogo; climat désertique à Niamey, Ndjamena et Ouagadougou; climat littoral à Dakar.
En outre, et dans un souci de simplification, les tomes I (Conception des nouveaux bâtiments) et II (Exploitation des
installations existantes) de l’ouvrage ne traitent que du cas des bâtiments du secteur tertiaire (immeubles de
bureaux, commerces, hôtels…) et n’abordent ni le secteur industriel ni le secteur résidentiel. C’est également dans
cet esprit que la problématique des chambres frigorifiques (froid industriel) n’a pas été abordée et fera l’objet d’un
traitement ultérieur.
Voilà donc brièvement présenté le guide Efficacité énergétique de la climatisation des bâtiments en région tropicale.
Pour l’Institut, cet ouvrage ne constitue qu’un premier pas vers une définition plus fine du type d’intervention à réaliser dans les pays membres du Sud. Nous restons donc ouverts à toutes les critiques et suggestions pour pouvoir,
ensemble, améliorer notre action.
Jean -Pierre NDOUTOUM
Responsable du projet Maîtrise de l’énergie
IEPF
x
TABLE DES MATIERES
Tome I : Conception des nouveaux bâtiments
1.
Une méthode de calcul simplifiée
climatisation en climat tropical
du
bilan
thermique
1
2.
L'évaluation des coûts globaux d'exploitation
37
3.
Le choix des systèmes de climatisation : critères généraux
53
4.
Le choix d'un climatiseur de local
65
5.
Le choix d'une climatisation centralisée
93
6.
La conception thermique des bâtiments climatisés : critères de
performance
141
Tome II : exploitation des installations existantes
1.
Le diagnostic global d'une installation de climatisation
1
2.
L'amélioration d'un climatiseur
23
3.
L'amélioration d'une installation de climatisation centralisée
57
4.
L'amélioration de la machine frigorifique associée
77
5.
Un contrat de maintenance avec clause "énergie"
105
6.
Vers une réglementation thermique minimale de l'exploitation des
bâtiments et des systèmes
117
EFFICACITE ENERGETIQUE DE LA CLIMATISATION
DES BATIMENTS EN PAYS TROPICAL
TOME 1 : CONCEPTION DES NOUVEAUX BATIMENTS
Ont participé à la rédaction de cet ouvrage :
Jacques CLAESSENS
Chercheur à l'Université Catholique de Louvain, Région Wallonne
Yézouma COULIBALY
Professeur d'énergétique à l'EIER, Chef du département IEGS
(Infrastructure, Energie et Génie Sanitaire)
Thomas DJIAKO
Professeur d'énergétique à l'EIER
Moïse GNAMKE
Directeur des équipements techniques LBTP (Laboratoire des
Bâtiments et des Travaux Publics), Côte d’Ivoire
Abraham KANMOGNE
Enseignant à l’ENSP (Ecole Nationale Supérieure Polytechnique) de
Yaoundé, Cameroun
Alexis KEMAJOU
Ingénieur Conseil SOFRICAM International, Cameroun
Mamadou J. KONE
Energéticien, Coordonnateur de projet environnement-énergieconstruction, UNDP/UNOPS
Arame NDIAYE
Responsable du Bureau d’Etude à DAMETAL, Sénégal
Mohamed SAKO KOITA
Energéticien, Enseignant-Chercheur à l'Institut National Polytechnique,
Côte d'Ivoire
Dimitris STAMATOUKOS
Responsable technico-commercial dans une entreprise de réfrigération
industrielle en Région Wallonne.
Ministère de la Région
Wallonne
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
CHAPITRE 1
UNE METHODE DE CALCUL SIMPLIFIEE DU BILAN THERMIQUE
DE CLIMATISATION EN CLIMAT TROPICAL
INTRODUCTION ................................................................................................................................... 2
1.1
CAHIER DES CHARGES POUR LE CALCUL D’UN BILAN THERMIQUE DE
CLIMATISATION........................................................................................................................ 3
1.2
BASE DE DONNEES CLIMATIQUES ...................................................................................... 4
1.2.1 Mois de base ..........................................................................................................................................4
1.2.2 Conditions extérieures de base..............................................................................................................4
1.2.3 Conditions intérieures de base ..............................................................................................................5
1.3
PROPRIETES THERMOPHYSIQUES DES MATERIAUX LOCAUX DE
CONSTRUCTION ........................................................................................................................ 6
1.4
EVALUATION DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION....................................... 8
1.4.1 Méthodes pour déterminer les bilans .....................................................................................................8
1.4.2 Méthode simplifiée de calcul .................................................................................................................9
1.4.3 Coefficient de sécurité .........................................................................................................................23
1.5
EVALUATION DE LA PUISSANCE A SOUSCRIRE ........................................................... 23
1.6
FEUILLE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION...................... 25
1.7
EXEMPLE D’APPLICATION .................................................................................................. 26
CONCLUSION ...................................................................................................................................... 32
ANNEXE ................................................................................................................................................ 33
BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................. 35
1
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
INTRODUCTION
Les installations de climatisation utilisées dans les pays tropicaux sont dimensionnées à partir des
méthodes de calcul de bilans thermiques mises au point pour des climats continentaux (Airwell ou
Carrier) [1] [2] c’est à dire, présentant des fortes variations de température en cours d’année (hiver–été)
et des taux d’humidité relativement faibles (50 à 60%). En région tropicale humide, les taux d’humidité
sont élevés (supérieur à 80%) et la température varie peu dans l’année [3]. On s’aperçoit qu’il est
difficile de transposer une méthode de calcul mise au point à partir des conditions climatiques
spécifiques d’une région à l’autre, car cela peut entraîner un certain nombre de problèmes sur les plans
thermiques des enveloppes architecturales, énergétiques et hygrothermiques dans le bâtiment.
Tous ces aspects font que les installations de climatisation conçues pour les climats tropicaux sont
surdimensionnées, entraînant ainsi une surconsommation électrique dans le domaine du
conditionnement d’air des bâtiments [3]. Ceci justifie ce chapitre dont l’objectif est de mettre à la
disposition des bureaux d’étude, des étudiants et des techniciens exerçant dans le métier de frigoriste,
des informations relatives au calcul simplifié de bilan thermique de climatisation adaptée aux climats
tropicaux humides, de transition et sahélien. Ces informations relèvent des valeurs recueillies sur les
différents sites météorologiques qui feront l’objet de ce travail. Cependant, pour les villes dont nous
n’avions pas ces données nous avons procédé par calcul en tenant compte des paramètres
météorologiques locaux. Aussi, en fonction de ces zones climatiques les villes indiquées dans le
tableau 1.1 ont été retenues comme échantillon de cette étude.
Zones climatiques
Climat tropical humide
Climat tropical de transition
(climat littoral)
Climat tropical sec
Climat tropical sahélien
Pays
Cameroun
Côte d’Ivoire
Bénin
Togo
Sénégal
Villes échantillons
Douala
Abidjan
Cotonou
Lomé
Dakar
Cameroun
Côte d’ivoire
Mali
Niger
Tchad
Burkina Faso
Garoua
Korhogo
Bamako
Niamey
Djamena
Ouagadougou
Tableau 1.1 Villes retenues pour l'étude
2
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
1.1 CAHIER DES CHARGES POUR LE CALCUL D’UN BILAN THERMIQUE DE
CLIMATISATION
Avant de commencer le calcul du bilan thermique, le technicien devra connaître tous les facteurs qui
pourront affecter son évaluation. Des relevés précis, détaillés, complets sont à la base même du bilan.
C’est à partir de la connaissance de ces éléments et si le bilan a été étudié avec soin, que l’on pourra
déterminer l’installation la plus économique et la plus assurante, compte tenu des résultats à obtenir. La
prise en compte de ces différents paramètres permet d’éviter d’utiliser les coefficients de sécurité lors
de l’évaluation des bilans qui sont à l’origine du surdimensionnement des équipements de climatisation.
Nous citons ci-dessous les principaux éléments à prendre en considération.
◊
Orientation du local : situation des locaux à conditionner par rapport aux :
- Points cardinaux, géographique (latitude, longitude), climatiques,
- Immeubles voisins produisant de l’ombre,
- Surface réfléchissante : eau, sable, parking, etc.
◊
Plans d’architecture, les détails montrant la structure interne de l’immeuble, les croquis à main
levée font partie d’un bon relevé,
◊
Dimensions du local : longueur, largeur, hauteur sous plafond,
◊
Matériaux de construction : nature des matériaux, épaisseur des murs, toits, plafonds, plancher
et cloisons, et leur emplacement,
◊
Couleurs des matériaux : couleurs des murs et du toit,
◊
Conditions extérieures au local : locaux adjacents conditionnés ou non, température des locaux
non conditionnés, plancher sur sol ou sur vide sanitaire, ensoleillement maximum du local,
condition extérieure de base,
◊
Conditions à maintenir à l’intérieur du local (température et humidité relative),
◊
Destination des locaux : bureau, hôpital, boutique, magasin, atelier…,
◊
Fenêtres : dimensions et emplacements, encadrement bois ou métal, type de vitrage, type de
store, dimension des auvents et saillies,
◊
Portes : emplacement, type, dimension, fréquence des ouvertures,
◊
Occupants : activités et nombres, durée d’occupation du local,
◊
Eclairage : type, puissance et durée d’allumage,
◊
Appareils ménagers, moteurs : emplacement, puissance nominale ; durée de fonctionnement et
coefficient de simultanéité,
◊
Emplacement de l’équipement et réseau de distribution (tracé des canalisations d’eau et des
gaines d’air).
3
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
1.2 BASE DE DONNEES CLIMATIQUES
En général, dans les pays chauds on distingue à quelques nuances près deux types de climat : le
climat tropical sec et tropical humide. Ces deux types de climat conduisent, en gros, à deux problèmes
de climatisation différents, le premier demandant surtout un refroidissement de l’air, le deuxième une
déshumidification avec rafraîchissement.
1.2.1 Mois de base [1] [2]
L’évaluation du bilan thermique est basée sur l’estimation des gains externes et internes pendant le
mois le plus chaud appelé mois de base. Le tableau 1.2 nous donne les différents mois de base
pour quelques villes échantillons. On constatera la faiblesse des données existantes en Afrique
tropicale.
Zones climatiques
Climat tropical humide
Climat tropical de transition ou littoral
Climat tropical sec
Climat tropical désertique
Pays
Villes de références
Mois de base
Cameroun
Douala
Février
Côte d’Ivoire
Abidjan
Février
Bénin
Cotonou
Togo
Lomé
Sénégal
Dakar
Cameroun
Garoua
Côte d’ivoire
Korhogo
Mali
Bamako
Niger
Niamey
Tchad
Djamena
Burkina Faso
Ouagadougou
Mars
Avril
Tableau 1.2 Mois de base (mois le plus chaud)
1.2.2 Conditions extérieures de base [1]
Le bilan thermique de conditionnement d’air doit être défini dans les conditions dites extérieures de
base. Elles correspondent à des températures sèches et humides simultanées qui pourront être
dépassées pendant quelques heures par an pour le mois le plus chaud. Le tableau 1.3 nous donne ces
conditions de base pour certaines villes.
4
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
Zones
climatiques
Pays
Cameroun
Climat tropical Côte d’Ivoire
humide
Bénin
Climat littoral
Villes de
références
Température
sèche
[°C]
Température
humide
[°C]
Direction
du vent
Vitesse
du vent
[km/h]
Douala
32
29
SW
7,3
Abidjan
32,5
27,5
Garoua
39,8
23,7
W
10,36
Korhogo
36
22,5
39
29,5
SO
8,3
Cotonou
Togo
Lomé
Sénégal
Dakar
Climat tropical Cameroun
sec
Côte d’ivoire
Mali
Climat tropical Niger
désertique
Tchad
Burkina Faso
Bamako
Niamey
Djamena
Ouagadougou
Tableau 1.3 Conditions de base extérieures
1.2.3 Conditions intérieures de base
Ce sont les conditions normales recommandées pour les applications courantes en vue du confort
thermique dans les bâtiments climatisés [4] [5].
Des études expérimentales entreprises en climat tropical humide et sec portant sur des individus
légèrement vêtus exerçant une activité sédentaire dans les conditions ambiantes de leurs bureaux
climatisés, ont permis de déterminer une gamme de température propre au bien être des habitants de
ces pays. Le tableau 1.4 présente ces conditions intérieures de confort [3] [6].
5
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Zones
climatiques
Pays
Climat tropical Cameroun
humide
Côte d’Ivoire
Nigeria
Togo
Climat littoral Sénégal
Climat tropical Cameroun
sec
Côte d’ivoire
Climat tropical Mali
désertique
Niger
Tchad
Burkina Faso
Villes de
références
Douala
Abidjan
Lagos
Lomé
Dakar
Garoua
Korghoro
Bamako
Niamey
Djamena
Ouagadougou
Température Humidité
sèche
relative
[°C]
[%]
26
51,3
24,5
65
26
50
28,5
26,5
51,9
50
Tableau 1.4 Conditions intérieures de confort optimal recommandé
A la suite de cette étude, il a été défini des conditions ambiantes acceptables à l'expérience par au
moins 80% des occupants selon la norme ASHRAE 55-81 [5]. Ces résultats expérimentaux nous
permettent également de proposer une large plage de température à imposer dans les salles
climatisées en fonction des besoins d’économie sur la climatisation. Le tableau 1.5 donne la zone de
confort thermique pour le Cameroun et la Côte d’Ivoire [3] [6].
Douala
23,9 < To < 28,3
Abidjan
24,2 < To < 28
Hr = 60% à 28,3 °C
Hr = 70% à 23,9 °C
Hr = 71% à 28°C
Hr = 58% à 24,2 °C
Tableau 1.5 Zone de confort thermique
1.3 PROPRIETES THERMOPHYSIQUES
CONSTRUCTION
DES
MATERIAUX
LOCAUX
DE
Le tableau 1.6 présente les propriétés thermophysiques des matériaux locaux utilisés dans la
construction des bâtiments dans les pays échantillons en climat tropical [7].
6
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
Matériaux
Cendre sèche
Charbon de bois
Coton
Cuir
Ecorce d’arbre
Laine de bois (panneau)
Laine de mouton
Laine de roche
Paille comprimée
Papier
Plume
Roseau
Sciure de bois
Soie naturelle
Amiante de ciment
Béton de pouzzolane naturel
Géobéton
Béton armé
Bitume
Contre plaqué
Enduit à la chaux ou au plâtre lissé
Enduit au ciment
Copeaux de bois
Béton
Pierre calcaire
Terre cuite
Mur brique pleine
Mur brique creuse
Parpaing plein
Parpaing creux
Enduit mortier
Enduit plâtre
Bois naturel
Polystyrène expansé
Laine de verre
Carrelage
Gravillons
Pierre lourde
Feuille de bitume
Terre pressée
Tôle
Conductivités
thermiques [W/m.k]
Masses volumiques
3
[kg/m ]
Chaleur massique
[kJ/kg.k]
0,29
0,041 - 0,065
0,06
0,174
0,066
0,09
0,038 - 0,049
0,052 - 0,074
0,12
0,14
0,037
0,05
0,06 - 0,07
0,052
0,4
0,25 - 0,6
0,7 - 0,8
1,5 - 2,04
0,16
0,14
0,87
0,87
0,081
0,9 - 1,7
1,05 - 2,2
1,15
0,85
0,4
1,1
0,67
1,15
0,45
0,12 - 0,044
0,036 - 0,044
0,04
1,15
1,5
3,5
0,23
1,15
70
900
185 - 215
80
1000
342
400
135 - 136
120 - 220
140
0,75
80
75
213
100
1800
1200 - 1700
1800 - 2310
2300 - 2400
2050
600
1600
2200
140
2200 - 2400
1650 - 2580
1800 - 2000
1850
1200
2100
1250
1800 - 2100
1450
300 - 750
9 - 35
100 - 300
1800
1200
2800
1000
1800
7800
1,42
1,26
0,8 - 0,84
2,51
0,96
1,09
2,72
0,94
1,05
2,51
0,850 - 0,950
0,920
0,900
0,880
0,880
0,880
0,880
0,900
1,200 - 1,880
1,210
0,700
0,980
0,920
0,800
0,900
0,800
Tableau 1.6 Propriétés thermophysiques des matériaux locaux de construction
7
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Pour déterminer le coefficient global de transmission de chaleur à travers les parois (k), on pourra
utiliser la formule:
k=
1
1
e 1
+∑ +
he
λ hi
dans laquelle he et hi sont les coefficients globaux de convection sur les mur et λ le coefficient de
conductivité thermique de la parois considérée (tableau 1.6). Les valeurs de he et hi [W/m² °C] sont
données dans le tableau suivant :
Parois en contact avec l’extérieur
murs
16,7
9
he
hi
plafonds
20
11.1
planchers
20
5,9
Parois en contact avec un autre
local, un comble ou un vide sanitaire
murs
plafonds
planchers
9
20
5,9
9
20
5,9
Parois
vitrées
16,7
9
Tableau 1.7 Coefficient d’échanges thermiques superficiels
1.4 EVALUATION DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION
Le calcul du bilan thermique de climatisation ou de conditionnement d’air permet de déterminer la
puissance de l’installation qui pourra répondre aux critères demandés. Ce calcul s’effectuera à partir
des gains réels, c’est à dire au moment où les apports calorifiques atteignent leur maximum dans le
local [1] [2]. On distinguera :
◊
Les gains internes : ce sont les dégagements de chaleur sensibles ou latents ayant leurs
sources à l’intérieur du local (occupants, éclairage et autres équipements),
◊
Les gains externes : ce sont les apports de chaleur sensible dus à l’ensoleillement et à la
conduction à travers les parois extérieures et les toits.
Pour pouvoir estimer ces gains avec une précision suffisante, il est indispensable de connaître tous les
éléments qui auront une influence sur le bilan tel qu’exprimé dans le cahier de charge.
1.4.1 Méthodes pour déterminer les bilans
Le calcul précis d’un bilan thermique de climatisation est long et compliqué, car les charges extérieures
telles que l’insolation et la transmission varient tout au long d’une journée ; pour cela, nous devrions
effectuer les calculs heure par heure pour rechercher le maximum d’apports cumulés [8] [9]. La prise en
compte de l’inertie du bâtiment atténue la valeur du maximum, mais introduit une difficulté
8
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
supplémentaire [8]. Dans le cas d’un bâtiment non isolé, pour un même type de mur, l’inertie augmente
avec l’épaisseur, alors que le coefficient global d’échange (k) diminue en réduisant la consommation
énergétique du bâtiment. Dans le cas d’un bâtiment isolé, l’inertie est faible, le k aussi ; mais l’épaisseur
n’influence pas.
Lorsque l’installation à climatiser a une taille importante et que cela nécessite de garantir des conditions
de fonctionnement précises, le calcul du bilan doit être confié à un bureau d’étude spécialisé qui
effectuera les calculs soit sous forme manuelle, soit à l’aide d’un programme de calculs informatisés
tenant compte bien sûr des conditions climatiques de base locales.
Dans le cas de locaux d’importance réduite, et pour des applications de climatisation de confort, on
peut faire appel à des méthodes simplifiées qui permettent de présélectionner et donc de chiffrer une
installation de climatisation.
1.4.2 Méthode simplifiée de calcul [2] [3] [8] [10] [11] [12]
1.4.2.1 Bases de calcul
Le point de départ est le choix des conditions atmosphériques (température et humidité de l’air définies
au tableau 1.3) où l’équipement de climatisation sera installé. Dans le cadre des économies d’énergie
en climatisation, il convient d’effectuer ce calcul pour le mois, le jour de l’année et aux heures pour
lesquelles ces charges représentent les moyennes maximales [3].
1.4.2.2 Heure de charges de réfrigération maximales dans les locaux
C’est l’heure pour laquelle tous les calculs du bilan thermique seront effectués.
Pour déterminer cette heure de charges de réfrigération maximales [1] [2] [8], nous devons suivre les
étapes énumérées ci-après :
Etape 1 : Orienter les locaux pour déterminer la pointe de réfrigération
Nous présentons sur la figure 1.1, les 31 types d’orientations possibles des locaux à climatiser. Cette
figure est à utiliser avec le tableau 1.8 qui précise pour un local donné, le nombre de murs exposés et
leurs différentes orientations.
9
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Figure 1.1 Types d’orientations des locaux à climatiser
Etape 2 : Déterminer l’heure de charges de réfrigération maximales dans les locaux
Le bilan thermique sera effectué à l’heure où les charges de réfrigération seront maximales. Cette
heure sera déterminée à partir du tableau 1.8 en combinaison avec le tableau 1.14 qui indiquera l’heure
d’apport solaire maximale en fonction de l’exposition des parois du local étudié [2]. Cette heure de
réfrigération devra coïncider avec l’heure des apports solaires maximaux et les charges internes
maximales (maximum de personnes ou fonctionnement des équipements).
Si les heures d’apports maximaux des charges externes (rayonnement solaire) et internes ne
coïncident pas, nous devrons choisir l’heure de charges de réfrigération maximale suivant l’exploitation
des locaux.
10
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
Orientation
des locaux
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Nombre de
murs exposés
1
2
3
4
Murs
exposés
N
NE
E
SE
S
SO
O
NO
NE - N - E
NE - SE
SE - S et E
SE - SO
SO - S et O
SO - NO
O-N
NO - NE
N-S
NE - SO
E-O
NO - SE
N-E-S
NE - SE - SE
E-S-O
SE -SO - NO
S-O-N
SO - NO - NE
O-N-E
SO - NO - SE
N-E-S-O
NE - SE - SO - NO
Heures de réfrigération
maximum
A déterminer en
combinaison avec le
tableau 1.14
(rayonnement solaire sur
les murs et vitrages) et
l’heure où les charges
internes sont maximales
dans le local à climatiser
Néant
Tableau 1.8 Orientations des locaux pour déterminer l’heure de réfrigération maximale
1.4.2.3 Calcul des apports calorifiques
Nous présentons ci-dessous une méthode simplifiée de calcul permettant de déterminer les apports
calorifiques dans un local.
11
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
1.4.2.3.1 Charges externes
♦
Apport de chaleur par transmission à travers les parois extérieures (murs, toit, plafond et
plancher) et les vitrages
QStr = k . S . ∆θ
♦
(1)
•
k
= coefficient de transmission thermique de la paroi ou du vitrage considéré en
W/m²°C (tableau 1.9)
•
S
= surface de la paroi ou de la fenêtre considérée (surface totale de la baie
correspondant à la réservation dans le mur) (m²)
•
∆θ = différence de température entre les deux faces de la paroi considérée [°C]
(tableau 1.10)
Apport de chaleur par rayonnement solaire à travers les parois [2] [11]
La quantité de chaleur traversant le mur [Qm] :
QSRm = α . F . S . Rm
(2)
•
α
= coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement
•
S
= surface de la parois en m²
•
F
= facteur de rayonnement solaire
•
Rm = rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur en W/m²
Le coefficient d’absorption «α» dépend de la couleur et de la nature du mur (tableau 1.11)
Le facteur de rayonnement «F» indique la part de chaleur absorbée par la surface et transmise à
travers le mur du local (tableau 1.12).
La valeur du rayonnement solaire «Rm» sur un mur (tableau 1.14 colonne m) dépend :
12
◊
De la latitude sous laquelle le local se trouve,
◊
De l’orientation du mur,
◊
De l’heure pour laquelle le calcul sera effectué.
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
♦
Apport de chaleur par rayonnement solaire sur les vitrages [2] [10] [11]
La quantité de chaleur traversant le vitrage (Qv) :
QSRv = α . g . S . Rv [W]
♦
(3)
•
α
= coefficient d’absorption du vitrage (tableau 1.11) [2]
•
g
= facteur de réduction (tableau 1.13) est fonction du mode de protection de la
fenêtre contre le rayonnement solaire
•
S
= surface vitrée (m²)
•
Rv = intensité du rayonnement solaire sur les vitrages W/m² ; elle est définie de la
même manière que Rm et est donnée par le même tableau 1.14 dans la
colonne «v».
Apport de chaleur par renouvellement d’air et infiltration
Le renouvellement d’air dans un local climatisé est nécessaire pour des problèmes hygiéniques. Il
se fait en règle générale par la ventilation (naturelle ou mécanique) des locaux ainsi que par
infiltration, introduisant de l’air extérieur dans le local climatisé. Il est source d’apport de chaleur
sensible et latent dans le local à conditionner.
Gains sensibles par renouvellement d’air :
QSr = qv . (θe-θ i) . 0,33 (W)
(4)
Gains latents par renouvellement d’air :
QLr = qv . (ωe - ωi) . 0,84 (W)
•
(5)
qv = débit d’air extérieur de renouvellement [m3/h]
- si la ventilation est naturelle, on peut considérer que le renouvellement
d’air est égal à un volume de la pièce par heure (1vol/h),
- si la ventilation est mécanique, on relèvera les valeurs dans le tableau
1.15 [8]
•
θe = température extérieure de base (tableau 1.3)
•
θ i = température intérieure de base (tableau 1.4)
•
ωe = teneur en eau de l’air extérieur g/kg air sec (définie à partir du tableau 1.3)
•
ωi = teneur en eau de l’air intérieur g/kg air sec (définie à partir du tableau 1.4)
13
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Types de parois
Types d’enduits
Parpaings
creux Aucun
(agglomérés creux) Enduit extérieur et intérieur au béton
Plâtres ou carreaux
Lattes de bois
Panneaux isolants
Aucun
Enduit extérieur et intérieur au béton
Béton coulé
Plâtres ou carreaux
Lattes de bois
Panneaux isolants
Briquettes de terre
Portes en bois
Aucun
Enduit extérieur et intérieur au béton
Plâtres ou carreaux
2,5
Châssis simple
3,94
Châssis double
1,97
Tuiles – ardoises –
Fibrociment
Toitures
Tôle galvanisée ondulée
Vitrage simple
Châssis en bois
Châssis métallique
Avec lame d’air de 6mm
Vitrage double
Avec lame d’air de 8mm
Avec lame d’air de 10mm
Sans solivage
Avec solivage
Sans solivage
Avec solivage
10
2,80
2,37
2,55
1,69
1,30
1,75
1,69
1,59
1,24
1,02
11
3,25
3,10
2,90
3,2
3,36
1,86
Epaisseurs
[cm]
15
2,65
2,20
2,38
1,64
1,24
1,41
1,36
1,30
1,02
0,90
22
2,20
2,50
2,10
3,8
3,00
1,94
20
2,43
2,09
2,26
1,59
1,18
1,18
1,14
1,08
0,84
0,79
33
1,62
1,80
1,50
4,4
2,90
1,74
5,80
4,06
9,28
4,64
5,0
5,8
Châssis en bois
Châssis métallique
Châssis en bois
Châssis métallique
Châssis en bois
Châssis métallique
3,3
4,0
3,1
3,9
3,0
3,8
Tableau 1.9 Coefficients globaux de transmission thermique (K) des parois (murs – planchers toitures –
vitrages - terrasses – portes) en W/m2°C
14
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
∆θ
[°C]
∆θ = θe - θi
∆θ = θe - θi - 3°C
∆θ = θe - θi + 3°C
∆θ = θe - θi + 12°C
∆θ = +20°C - θi
∆θ = θe - θi + 18°C
Types de parois
Murs extérieurs ensoleillés
Murs en contact avec les locaux non conditionnés
Plafond sous comble ventilé
Plafond sous comble non ventilé
Plancher sur terre pleine
Mur en contact avec la cuisine
Tableau 1.10 Différence de température entre les différentes faces des parois
Couleurs et nature de la surface
Surfaces très claires
Pierre blanche - surface blanche, claire ou crème
ciment très clair
Surfaces foncées
Fibrociment - bois non peint - pierre brune - brique
rouge - ciment foncé - staff rouge, vert ou gris
Surfaces très foncées Toitures en ardoises foncées - cartons bitumés très
sombre
Verres (fenêtres ou
Vitrage simple
lanterneaux)
Vitrage double
Vitrage triple
α
0,4
0,7
0,9
1
0,9
0,8
Tableau 1.11 Coefficient d’absorption « α » pour murs, toits et fenêtres
K coefficient de
transmission thermique
de la paroi considérée
[W/m²°C]
0
1
2
3
4
F coefficient du
rayonnement
solaire
0
0,05
0,1
0,15
0,20
N.B : Interpoler pour les coefficients intermédiaires
Tableau 1.12 Facteur de rayonnement solaire
15
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Fenêtres protégées
Couleurs
g
Stores extérieurs en toile
Ecru
0,28
Stores extérieurs en toile
Aluminium
0,22
Stores intérieurs entièrement baissés
Aluminium
0,45
Stores intérieurs à moitié baissés
Blanc ou crème
0,63
Persiennes entièrement baisées à l’intérieur des fenêtres
Aluminium
0,58
Persiennes entièrement baisées à l’extérieur des fenêtres
Aluminium
0,22
Tableau 1.13 Facteur de réduction « g » pour fenêtres protégées
N
Heu Hor
S
E
O
N-E
N-O
S-E
S-O
m
v
m
V
M
v
m
v
m
v
M
v
m
v
m
v
62
53
64
55
71
61
62
53
70
60
62
53
66
57
62
53
7
111
8
263 131
113 146 126
176 152 131
113 173 149
131 113 153
131 131 113
9
385 186
160 212 182
249 214 186
160 249 214
186 160 211
182 186 160
10 500 223
191 269 232
298 257 223
191 309 266
223 191 243
209 223 191
11 625 258
222 330 284
317 273 258
222 351 302
268 230 258
222 258 222
12 686 272
234 359 309
272 234 272
234 333 287
333 287 272
234 272 234
13 686 256
220 352 303
256 220 335
288 268 231
380 326 256
220 256 220
14 563 216
186 290 249
216 186 335
288 216 186
352 303 216
186 249 214
15 395 166
143 207 178
166 143 264
227 166 143
265 228 166
143 206 177
16 201 150
129 134 115
150 129 100
86
150 129
103
89
150
129 126 109
17
27
31
29
31
33
28
31
27
54
31
32
27
27
33
27
Tableau 1.14a Intensité du rayonnement solairesur les murs (m) et vitrages (v) [W/m²].
Latitude 4° Nord (février)
16
32
28
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
N
Heu Hor
m
S
V
M
E
V
m
O
v
m
N-E
v
m
N-O
v
M
S-E
v
m
S-O
V
m
v
7
604 129 103 164 131 585 468 127 102 476 380 127 102 426 341 127 102
8
410 158 126 177 141 312 249 158 126 280 224 158 126 253 203 158 126
9
639 225 180 267 213 450 360 225 180 414 331 225 180 355 284 225 180
10 800 254 203 322 258 482 385 254 203 463 371 254 203 367 293 254 203
11 870 284 227 362 290 408 326 284 227 427 341 284 227 317 253 284 227
12 836 283 226 357 285 283 226 283 226 335 268 335 268 283 226 283 226
13 749 250 200 315 252 250 200 354 283 250 200 370 296 250 200 277 222
14 610 205 164 253 203 205 164 367 294 205 164 354 283 205 164 285 228
15 437 154 123 182 146 154 123 308 247 154 123 283 226 154 123 243 194
16 237
95
76
105
84
95
76
178 142
95
76
160 128
95
76
146 117
17
34
27
35
28
34
27
45
34
27
42
34
27
41
66
36
34
33
Tableau 1.14b Intensité du rayonnement solaire sur les murs (m) et vitrages (v) [W/m²].
Latitude 8 °N (mars)
N
Heu Hor
m
S
E
v
m
v
97
113
90
m
O
v
m
187 149 113
N-E
v
90
m
N-O
v
M
159 127 113
S-E
v
90
m
S-O
v
m
171 137 113
v
7
252 121
90
8
469 201 161 187 150 350 280 187 150 293 234 187 150 312 249 187 150
9
668 255 204 244 195 466 373 241 193 392 314 241 193 408 326 241 193
10 806 283 226 280 224 483 386 271 217 419 335 271 217 422 338 271 217
11 862 297 237 302 242 406 325 288 231 376 300 288 231 368 294 288 231
12 841 298 238 306 245 291 233 291 233 301 241 301 241 296 237 296 237
13 730 280 224 284 227 274 219 359 287 274 219 337 269 274 219 331 265
14 653 243 195 242 193 235 188 391 313 235 188 344 275 235 188 347 277
15 444 179 144 173 138 171 137 305 244 171 137 261 209 171 137 271 216
16 248 111
89
104
84
104
83
181 145 104
83
154 123 104
83
163 130
17
28
34
27
34
27
48
27
43
27
45
69
36
39
34
34
34
36
Tableau 1.14c Intensité du rayonnement solaire sur les murs (m) et vitrages (v) [W/m²]
Latitude 10 °N (avril)
17
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Désignation des locaux
Locaux d’enseignement
Dortoirs, chambres collectives
Bureaux et locaux assimilés
Salles de réunion, spectacle
Boutiques, supermarchés
Cafés, bars, restaurant…
Locaux à usage sportif
Débit minimum d’air
neuf sans fumeur
[m3/h/personne]
15 - 18
18
18
18
22
22
18
Débit minimum d’air
neuf avec fumeur
[m3/h/personne]
25
25
25
30
30
30
30
Densité
d‘occupation
[personne/m²]
0,67
0,25
0,10
0,31
0,08
0,50
0,80
Tableau 1.15 Débit de renouvellement d’air nécessaire dans les locaux climatisés et nombre de personne
au m² par type de locaux
1.4.2.3.2 Charges internes
♦
Apport de chaleur par les occupants
Elle est donnée en fonction de la température intérieure et du dégré d’activités. On distingue deux
sortes de gains générés par les occupants :
Gains sensibles occupants :
QSoc = n . CSoc [W]
(6)
QLoc = n . CLoc [W]
(7)
Gains latents occupants :
•
n
•
CSoc = chaleur sensible des occupants (W) ; (tableau 1.16)
•
CLoc = chaleur latente des occupants (W) ; (tableau 1.16)
= nombre d’occupants
Les valeurs de la table 1.16 sont valables pour un homme adulte. On devra minorer les valeurs de ce
tableau par les coefficients suivants :
◊
◊
◊
♦
pour les femmes : -20%
pour les enfants : -20 à -40%
pour un public mixte : -10%
Apport de chaleur par l’éclairage
Il constitue une source de chaleur sensible et dépend du type de lampe (tableau 1.17) :
18
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
Lampe fluorescente
QSecl. = 1,25 P [W]
(8)
Lampe incandescente
QSecl. = P [W]
•
(9)
P = puissance de la lampe [W]
Dans le cas de la lampe fluorescente, les 25% supplémentaires représentent la chaleur dégagée
par le ballast électromagnétique.
♦
Apport de chaleur par les machines et appareillages
La plupart des appareils constituent à la fois une source de chaleur sensible et latente. Le tableau
1.18 donne les apports de chaleur par les machines et appareillages (QSéquip.). Les valeurs de ces
tables ont été déterminées d’après les indications de divers fabricants.
On doit minorer les apports de ces machines et appareillages (par un coefficient de pondération)
en fonction de leurs durées de fonctionnement. On considère par exemple qu’un appareil ne
fonctionnant qu’une demi heure par heure dégage la moitié de sa puissance électrique nominale en
apport de chaleur.
Activités
Assis au repos
Application
Ecole, théâtre
Bureau, hôtel,
Travail léger
appartement
Debout, marche Magasin,
lente
boutique
Repas
Restaurant
Travail facile
Atelier
Danse
Boite de nuit
Travaille difficile Usine
Température ambiante
[°C]
25 °C
26°C
27°C
Chaleur Chaleur Chaleur Chaleur Chaleur Chaleur
sensible latente sensible latente sensible
latente
[W]
[W]
[W]
[W]
[W]
[W]
65
37
62
40
60
42
Emission
thermique
totale
[W]
102
67
49
63
59
56
60
116
68
63
63
68
57
74
131
77
80
88
149
84
140
161
277
71
72
80
142
90
148
169
284
64
67
75
136
97
153
174
290
161
220
249
426
Tableau 1.16 Chaleur dégagée par les personnes [W]
19
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Destination du local ou type d’activité
Puissance raccordée
[W/m²]
Lampe à incandescence
Lampe fluorescente
Entrepôts, habitat, restaurant, théâtres
Bureau, salle de cours, hall d’entrée avec
caisse et guichet
Salle de lecture, d’ordinateur, laboratoire,
magasin, hall d’exposition
Supermarché, très grand bureau, amphithéâtre sans fenêtre, travaux de précision
25
8
65
16
110
24
45
Tableau 1.17 Chaleur dégagée par l’éclairage
Types d’appareils
Puissance nominales
[W]
Friteuse 5litres d’huile
Friteuse 10l d’huile
Chauffe pains
Moules à gaufrettes
Percolateur 2l
Chauffe eau
Cuisine électrique et machine à laver
Aspirateur
Essoreuse
Congélateur 200 l
Fers à repasser
Chaîne stéréophonique
Téléviseur
Séchoir cheveux
Plaque de cuisson
Grill à viande
Stérilisateur
Ordinateur
Cafetière
Photocopieuse
Imprimante à jet d’encre
Imprimante laser
fax
2575
6954
435
2192/719
993
146
3000
200
100
175
500
40
175
500/1000
500/1000
3000
150
400
500/3000
Gain à admettre
[W]
Chaleur sensible
Chaleur latente
464
1102
319
899/319
394
116
1450
50
15
500
230
40
175
175/350
120/250
1200
175
250
750
750
52
15
62
696
1653
29
609/203
104
29
1550
Tableau 1.18 Appareillages électriques et à gaz
20
270
0
0
75/250
130/250
300
325
0
300
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
1.4.2.3.3 Les charges thermiques totales
Le bilan thermique total (QT) est la somme de toutes les charges externes et internes. Il est plus
pratique de faire la somme des charges sensibles (QS) et latentes (QL). D’où :
Q T = QS + QL
(10)
Charges sensibles totales
Ce sont les apports de chaleur sensible dans le local, dus à la différence de température entre
l’intérieur et l’extérieur ; on a :
QS = QStr + QSRm + QSRv + QSr + QSoc + QSécl. + QSéquip. (11)
Charges latentes totales
Ce sont les apports de chaleur latente dus à la différence de quantité de vapeur d’eau contenue dans
l’air extérieur et intérieur.
QL = QLr + QLoc + QLéquip
(12)
1.4.2.3.4 Puissance du climatiseur et de déshumidification
♦
Puissance du climatiseur
La puissance frigorifique du climatiseur représente les charges thermiques totales QT qu’il faut
combattre, avec :
QT = QS + QL [W]
La puissance du compresseur est généralement déduite à partir des catalogues des constructeurs.
En l’absence de tout catalogue, on peut en première approximation utiliser la notion de coefficient
d’efficacité frigorifique ou de performance frigorifique (COPfroid) dont la formule s’écrit :
COPfroid = Pf/Pa
•
Pf = puissance frigorifique [W]
•
Pa = puissance absorbée [W]
(13)
21
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
D’où la puissance absorbée par le compresseur
Pa = Pf / COPfroid
Les Coefficients de performance des climatiseurs monoblocs et splits sont de l’ordre de 2 à 2,5 [8].
Autrement dit, une puissance frigorifique de 1 kW au compresseur permettra d’extraire 2 à 2,5 kW
de chaleur au local.
Cette approche nous permet d’obtenir un ordre de grandeur appréciable de la puissance du
climatiseur, quitte à l’affiner lors de l’étude définitive.
♦
Puissance de déshumidification [3]
Dans les bâtiments climatisés en pays tropicaux humides, l’humidité relative intérieure est
fortement élevée et varie entre 60 à 70%, avec les températures mesurées qui sont comprises
entre 20 et 25°C [3]. Malgré ces températures acceptables, certains usagers ont une sensation
d’inconfort thermique suite à la forte humidité relative de l’air. Ces relevés permettent de
comprendre que les climatiseurs n’assurent pas leurs fonctions de déshumidification de l’air traité
mais de refroidissement simple.
Cette situation est due a une mauvaise sélection des climatiseurs en région tropicale humide qui
diffère de celle utilisée en climat tropical sec.
En région tropicale humide, les besoins de climatisation se résument a un refroidissement et une
déshumidification de l’air contenu dans un local. Pour cette raison, lors de la sélection du
climatiseur, on doit tenir compte de deux paramètres importants::
◊ La puissance du climatiseur ou charge calorifique totale en Watt,
◊ La puissance de déshumidification ou chaleur latente totale (formule 12) exprimée en Watt
ou en kg d’eau/heure (c’est la quantité d’eau pouvant être retenue par le climatiseur afin
d’assurer les conditions de confort thermique dans le local).
En climat tropical sec, les besoins de climatisation se résument au refroidissement de l’air ambiant
contenue dans le local. Aussi, la puissance calorifique totale est le paramètre fondamental à
calculer pour sélectionner un climatiseur. Quand la température de rosée de l’air de l’ambiance à
climatiser est supérieure à la température de surface de la batterie froide, il y a condensation de la
vapeur d’eau contenue dans cet air, d’où une consommation supplémentaire dans la mesure où les
frigories supplémentaires produites serviront à l’assèchement indésiré de l’air en climat tropical sec.
Par conséquent, la température d’évaporation sera plus élevée en climat tropical sec qu’en climat
tropical humide.
22
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
1.4.3 Coefficient de sécurité
Il est d’usage courant d’appliquer un certain coefficient de sécurité après avoir effectuée le calcul du
bilan thermique de climatisation d’un local. La valeur généralement adoptée varie entre 0 à 5% selon
que l’on connaît plus ou moins les éléments entrant lors de l’établissement du bilan thermique. Il
faudrait éviter d'augmenter ce coefficient qui a pour inconvénient d’augmenter le bilan thermique de
climatisation, de surdimensionner l’équipement et donc d'augmenter le coût d'exploitation,
particulièrement au niveau des auxiliaires. Il faut respecter les consignes définies dans le cahier de
charge.
Nous conseillons de choisir la puissance du climatiseur égale ou légèrement supérieure à celle obtenue
par le dimensionnement.
Dans certains cas, on peut choisir la puissance du climatiseur légèrement inférieure ou supérieure à
celle du bilan frigorifique pour des raisons d’échelonnement des puissances [8] dans une gamme de
matériel standard; par exemple :
2,5 kW au lieu de 2,3 kW froid obtenu par le bilan thermique de climatisation ;
2,5 kW au lieu de 2,7 kW froid obtenu par le bilan thermique de climatisation.
1.5 EVALUATION DE LA PUISSANCE A SOUSCRIRE [13] [14]
Pour déterminer la puissance optimale à souscrire auprès de la compagnie nationale d’électricité pour
un local climatisé, nous devrions effectuer un bilan de puissance des appareils installés (compresseurs,
ventilateurs, pompes) et autres appareils électriques. Son calcul fait appel à deux facteurs :
◊ Facteur d’utilisation Ku : c’est le régime de fonctionnement d’un récepteur tel que la
puissance utilisée soit inférieure à la puissance électrique nominale installée. Il est défini
dans les catalogues constructeurs, la valeur couramment adoptée pour les climatiseurs est
Ku=1,
◊ Facteur de simultanéité Ks : tous les récepteurs ne fonctionnement pas simultanément. C’est
pourquoi, il est permis d’appliquer aux différents ensembles de récepteurs (ou des circuits)
des facteurs de simultanéité. Ce facteur varie entre 1 et 0,8 en fonction de l’importance de
l’installation.
La puissance à souscrire à l’abonnement (Sa) se calcule d’après la formule suivante :
Sa = Sut [KVA]
•
(14)
Sut = puissance disponible
23
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Sut² = Pat² + Qat ²
•
Pat = puissance active totale
•
Qat = puissance réactive totale
(15)
Pat = Pn . Ks . Ku
(16)
Qat = Pat. tan ϕ
(17)
Pn = U.I.cos ϕ
(18)
Le cos ϕ , appelé facteur de puissance moyen de l’installation à prendre en compte est celui qui permet
d’éviter les pénalités dues à la consommation de l’énergie réactive. Il est fixé par chaque compagnie
nationale d’électricité. Le tableau 1.19 nous donne les différents facteurs pour quelques pays
échantillon.
En monophasé, on prendra la puissance nominale en monophasé des appareils (climatiseurs) à
installer. En triphasé, on prendra Pn = (3)1/2.U.I. cosϕ . Cette puissance est généralement inscrite sur la
plaque signalétique de l’appareil ou donnée dans le catalogue du constructeur.
Zones climatiques
Climat tropical humide
Climat littoral
Climat tropical sec
Climat
désertique
tropical
Pays
Cameroun
Côte d’Ivoire
Bénin
Togo
Sénégal
Cameroun
Côte d’ivoire
Mali
Niger
Tchad
Burkina Faso
Facteur de
puissance: Cos ϕ
0,8
0,86
0,8
0,86
Tableau 1.19 Facteur de puissance pour les pays retenus par l’étude
On consultera également le chapitre 1.3 du tome 2 à ce sujet.
24
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
1.6 FEUILLE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION
Il est pratique et plus structuré d’utiliser une feuille de calcul (voir annexe) pour déterminer les charges
thermiques d’un local à climatiser parce que tous les postes à considérer y sont énumérés [2] [8].
♦
Utilisation de la feuille de calcul
1ère étape : relevé des données
◊ Inscrire les informations demandées sur le local (définies dans le cahier de charge),
◊ Déterminer les conditions de base (tableau 1.3; 1.4; 1.5; 1.6) ; en déduire d’autres
paramètres sur le diagramme de l’air humide,
◊ Déterminer les écarts de température et de teneur en eau,
◊ Déterminer l’heure à laquelle le calcul du bilan sera effectué (figure 1.1, tableau 1.8),
◊ Déterminer le type de renouvellement d’air et son débit (tableau 1.14),
◊ Identifier chaque paroi et vitrage du local suivant les orientations sur la colonne I,
◊ Déterminer les caractéristiques dimensionnelles des parois et vitrages identifiées sur la
colonne I et II,
◊ Calculer les surfaces nettes des parois et vitrages : colonne III,
◊ Calculer les coefficients de transmission k ou les déterminer (tableau 1.7; 1.9) : colonne IV,
◊ Rechercher les écarts de température entre les différences surfaces donnant soit à
l’extérieur, soit dans un local adjacent : colonne V,
2ème Etape : Calcul des charges
◊ Apports par transmission à travers les parois opaques et vitrages,
- Utiliser les colonnes III, IV et V ; appliquer les résultats à la colonne VI.
◊ Apports dus au rayonnement solaire sur les murs et vitrages,
- Rechercher les apports surfaciques sur les murs et vitrages sur la table,
- Rechercher les coefficients α (tableau1.10), F (tableau 1.11), g (tableau 1.12),
- Utiliser la colonne VII et VIII et l’appliquer à la colonne IX.
◊ Apports de chaleur sensible par les occupants (formule 3),
◊ Apports de chaleur sensible par les appareils électriques (tableau 1.18),
◊ Apports de chaleur sensible par les sources diverses,
◊ Apports de chaleur sensible par renouvellement d’air (formule 6),
◊ Charge calorifique sensible = 1+2+3+4+5+6 (formule 7),
25
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
◊ Apports de chaleur latente par les occupants (formule 8),
◊ Apports de chaleur latente par les appareils électriques (tableau 1.17),
◊ Apports de chaleur latente par les appareils diverses (voir feuille de calcul),
◊ Apports de chaleur latente par renouvellement d’air (formule 11),
◊ Charge calorifique latente = 8+9+10+11 (formule 12),
◊ Puissance du climatiseur = Charges calorifique totale = 7+12,
◊ Puissance de déshumidification du climatiseur = charge calorifique latente.
1.7 EXEMPLE D’APPLICATION
On se propose de déterminer la puissance de climatisation des bureaux situés au rez-de-chaussée
d’un immeuble. Ces bureaux ont des caractéristiques identiques, et pour cela, on vous demande
d’évaluer la puissance de climatisation d’un seul local.
Cahier de charge
Les bureaux se trouvent dans la ville de Douala au Cameroun ; ils sont situés au rez-de-chaussée d’un
immeuble.
Les caractéristiques du local sont :
◊ Murs extérieurs en agglomérés creux de 20 cm avec enduit extérieur et intérieur au sable,
peinture blanche des deux côtés,
◊ Cloisons en agglomérés creux de 10 cm avec enduit intérieur et extérieur au sable, peinture
blanche des deux côtés,
◊ Plancher en béton de sable de 15 cm avec une chape de ciment, moquette marron au
dessus,
◊ Plafond en béton de sable de 20 cm, couleur blanche des deux côtés, local non conditionné
au-dessus,
◊ Hauteur sous-plafond : 3m,
◊ Portes en bois de 1m×2m avec encadrement en bois,
◊ Fenêtre vitrée de 1m×1,5m avec encadrement métallique, store extérieure en toile de
couleur écrue,
◊ Durée d’éclairage : à apprécier par le maître d’œuvre,
◊ Eclairage fluorescent : à apprécier par le maître d’œuvre,
◊ Les bureaux sont occupés de 8h à 12h et de 13h à 18h.
26
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
Figure 1.2 Plan du local
Travail demandé
◊ Faire le bilan thermique de ce local
◊ En déduire la puissance du climatiseur et la puissance de déshumidification.
◊ Sélectionner sur le catalogue du constructeur X
◊ Déterminer la puissance à souscrire à la compagnie d’électricité.
◊ Reprendre le bilan thermique de ce local en utilisant le logiciel accompagnant ce manuel ;
comparer les résultats obtenus.
Solution
♦
Calcul du bilan thermique par la méthode définie dans ce manuel
Heure de calcul
Pour ce local, les parois Nord, Sud et Ouest sont ensoleillées. Les apports de chaleurs sont
maximaux à 12h sur la parois Nord, à 13h sur la parois Sud et à 14 h sur la parois Ouest (tableau
1.14). Toute fois, la surface Sud étant la plus grande et compte tenue de l’heure d’occupation des
locaux (8h à 12h et 13h à 18h), nous choisissons d’effectuer ce bilan à 13 heures.
Température extérieure : 32°C
Température intérieure : 26 °C
Humidité relative =83% w=0,0255 kg/kg air sec
Humidité relative =51% w=0,0108 kg/kg air sec
27
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
♦
Calcul des apports calorifiques
Orientation des
parois
Mur Nord
Mur Sud
Mur Ouest
Plancher
Plafond
Vitrage Ouest
Portes en bois
Surface nette
[m²]
K
[W/m² K]
Intensité du rayonnement
[W/m²]
30
28
16,5
60
60
1,5
2
2,09
2,09
2,09
1,36
1,14
5
3,94
256
352
355
Apport de chaleur par transmission à travers les parois
◊ mur Nord :
Qstr1 = 2,09 × 30 × (32-26) = 376 W
◊ mur Sud :
Qstr2 = 2,09 × 28 × (32-26) = 351 W
◊ mur Ouest :
Qstr3 = 2,09 × 16,5 × (32-26) = 207 W
◊ mur Est :
Qstr4 = 2,37 × 18 × (32-26-3) = 128 W
◊ vitrage Ouest : Qstr6 = 5 × 1,5 × (32-26) = 45 W
◊ Plafond :
Qstr8 = 1,14 × 60 × (32-26-3) = 205 W
◊ Porte en bois : Qstr7 = 2 × 3,94 × (32-26) = 47 W
Qstr = 1359 W
Apport de chaleur par rayonnement à travers les parois
◊ mur Nord :
QsR1 = 0,4 × 0,105 × 30 × 256 = 322 W
◊ mur Sud :
QsR2 = 0,4 × 0,105 × 28 × 352 = 413 W
◊ mur Ouest :
QsR3 = 0,4 × 0,105 × 16,5 × 335 = 232 W
◊ vitrage Ouest : QsR5 = 0,86 × 0,28 × 1,5 × 288 = 104 W
◊ porte sud :
QsR6 = 0,7 × 0,197 × 2 × 352 = 97 W
QsR = 1168 W
28
288
352
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
Apport de chaleur par renouvellement d’air : on suppose la ventilation naturelle
◊ Qsr = 180 × (32-26) × 0,33 = 356 W
◊ QL1 = 180 × (0,0255-0,0108) × 0,84 × 1000 = 2222 W
Qsr
= 356 W
QL1
= 2222 W
Apport de chaleur par les occupants
◊ Qsoc = 0,1 × 60 × 63 (1-0,1) = 340 W
◊ Ql2 = 0,1 × 60 × 59 (1- 0,1) = 318 W
Qsoc
= 340 W
QL2
= 318 W
Apport de chaleur par l’éclairage : on suppose qu’on utilise des tubes fluorescents
◊ Qsécl = 16 × 60 = 960 W
Qsécl
= 960 W
Apport de chaleur par les équipements : on suppose qu’il y a 1 ordinateur avec imprimante, une
photocopieuse, 1 fax, une chaîne stéréophonique et une cafetière. On tiendra compte du coefficient
d’utilisation (cu) qui varie d’un équipement à un autre
◊ Ordinateur:
Qséquip1 = 250 × 1 = 250 W (cu = 100%)
◊ Photocopieuse :
Qséquip2 = 750 × 0,2 = 150 W (cu = 20%)
◊ Fax :
Qséquip3 = 62 × 0,15 = 9,3 W (cu = 15%)
◊ Chaîne stéréophonique : Qéquip4 = 40 × 0,1 = 4 W (cu = 10%)
◊ Cafetière sensible :
Qséquip5 = 750 × 0,25 = 188 W (cu = 25%)
◊ Cafetière latente :
QL3
◊ Imprimante :
Qséquip6 = 52 × 0,15 = 8 W (cu = 15%)
= 300 × 0,25 = 75 W (cu = 25%)
Qséquip = 609,3 W
QL3
= 75 W
29
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
Chaleur sensible totale : Qs = 4792 W
Chaleur latente totale :QL = 2615 W
Bilan thermique total : QT = 7407 W
Puissance du climatiseur ou puissance frigorifique : 7407 W
Puissance de déshumidification : 2,61 kW, soit 3,76 l/h.
♦
Sélection dans le catalogue d’un constructeur de marque X
◊ Split système :
modèle Froid seul 30 F ; 3CV4
◊ Puissance frigorifique :
8500 W, soit 29 000 BTU/Hr
◊ Débit d’air :
1200 m3/h à 900 m3/h
◊ Niveau sonore :
41/49 dB(A)
◊ Puissance nominale absorbée :
3280 W
◊ Calibre fusible :
32 A
◊ Liaison frigorifique :
25 m
◊ Diamètre à l’aspiration 3/8 po. et liquide 5/8 po.
♦
Puissance à souscrire à la compagnie d’électricité
◊ Cos ϕ = 0,8 ou tan ϕ = 0,75 au facteur de puissance moyen de l’installation
◊ Puissance nominale du climatiseur : 3280 W
◊ Puissance active totale :
Pat = Pn.Ks.Ku = 3280x1x1 = 3280
◊ Coefficient d’utilisation :
Ku = 1 ; coefficient de simultanéité : Ks = 1
◊ Puissance réactive totale :
Qat = Pat. tanϕ = 3280 x 0,75 = 2460
◊ Sut : puissance disponible :
Sut² = Pat² + Qat ² = (3280)² + (2460)²
◊ D’où Puissance à souscrire :
Sa = Sut =4100 VA
On souscrira auprès de la compagnie d’électricité une Puissance de 4100 VA
30
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
♦
Méthode de calcul par logiciel mise au point
Répartition des apports
Charges sensibles totales
4780
Charges latentes totales
2612
Puissance frigorifique
7,39 KW
25134 BTU
Puissance du climatiseur
Facteur de chaleur sensible
Puissance de déshumidification
3,35 Cv
0,65
3,76 l/h
Figure 1.3 Répartition des apports
Répartition des apports de chaleur sensible
1. Fenêtres ensoleillées
149
2. Fenêtre non ensoleillées
0
3. Murs extérieurs ensoleillées
2043
4. Murs extérieurs non ensoleillées
0
5. Murs en contact avec les locaux non conditionnés
128
6. Murs en contact avec la cuisine
0
7. Toitures ensoleillées
0
8. Plafonds sous local non climatisé
205,2
9. Plafonds sous comble
0
10. Plancher sous local non climatisé
0
11. Portes en bois
0
12. Renouvellement d'air
356
13. Occupants
340
14. Eclairage
950
15. Machines et appareillages
608,6
3,12 %
0%
42,73 %
0%
2,68 %
0%
0%
4,29 %
0%
0%
0%
7,46 %
7,12 %
19,87 %
12,73 %
31
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
CONCLUSION [10]
Le but de ce chapitre a été d’apporter notre contribution aux efforts développés en Afrique tropicale
pour limiter la consommation d’énergie par une amélioration du dimensionnement des installations de
conditionnement d’air [10]. Pour ce faire, nous avons proposé des éléments de calcul des charges
thermiques adaptés aux climats tropicaux humides, de transition, secs et désertiques.
Une méthode simplifiée de calcul de bilan thermique permettant de présélectionner les équipements et
donc de chiffrer une installation de climatisation a été présenté. Les ratios de consommations
énergétiques d’un local climatisé et la méthode d’évaluation de la puissance électrique à souscrire
auprès de la société nationale d’électricité ont permis de compléter cette étude.
L’utilisation des données consignées dans ce présent chapitre pour effectuer un bilan thermique de
climatisation est recommandée car cela nous permet d’une part d’économiser sur l’investissement
dans l’achat du matériel et d’autre part, d’adapter la puissance à installer à nos besoins réels ; ce qui
diminuera aussi les dépenses en climatisation.
32
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
ANNEXE
FEUILLE DE CALCUL D’UN
BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION
Date :
LOCAL
Agent :
Client :
Adresse du client :
Destination : ________________________________________________________________________
Situation : : ________________________________________________________________________
Dimensions :____
m² de surface
m de hauteur
m3 de volume du local
CONDITIONS
T° sèche
T° humide
Humidité
relative
Teneur en
eau
Heure de calcul: ____h
Air extérieur :
Air du local :
∆ω =
∆t =_____
_____
- Type de renouvellement d’air : Naturelle / Mécanique_ / Débit_________________(m3/h)
I
Désignation
et
exposition
des parois
II
Dimension
de la paroi
III
Surface brute de
la paroi en m²
IV
-
Nombre et Surface
totale Kv
dimension
des vitrages ( m²)
des vitrages
Surface nette de Km
la paroi (m²)
V
VI
VII
Apports
par
∆t des
t sèche transmission :
(°C)
Qm/v= K.S. ∆t
III – IV – V (W) Qm = α.F.S.Rm (W)
(1) Total par transmission
III – IV – V (W)
=
VIII
-
IX
Apports par
rayonnement
solaire
III – IV – V
(W)
Qv = α.g. S.Rv (W)
(2) Total par rayonnement
solaire
33
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
(1)
Total par transmission
(report)
(2) Total par rayonnement
solaire (report)
X.APPORT DE
CHALEUR SENSIBLE
(3) Occupants :nombre_________X W/personne________________=
___________
(4) Appareils électriques : Watts dissipés _____________________=
Chevaux dissipés_______x 750____________=
___________
___________
(5) Sources diverses : ____________________W_______________=
___________
3
(6) Renouvellement d’air : ______m /h________x 0,33__________=
(7) CHARGE CALORIFIQUE SENSIBLE =
XI. APPORT DE
CHALEUR LATENTE
___________
1+2+3+4+5+6
(8) Occupants :nombre_______x W/personne _________________=
___________
(9) Appareils électriques : Watts dissipés _____________________=
(10) Sources diverses :____________________W______________=
___________
3
___________
(11) Renouvellement d’air :∆ω _____ m /h ____ 0,84___________=
(12) CHARGE CALORIFIQUE LATENTE
8+9+10+11 =
(13) PUISSANCE DU CLIMATISEUR = CHARGE CALORIFIQUE TOTALE 7+12
N.B : (14) Pays Tropicaux Humides : PUISSANCE DE DESHUMIDIFICATION
34
12 = 7+8+9 =
--------------------LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE
BIBLIOGRAPHIE
[1]
Manuel CARRIER, Première partie : Calcul du bilan thermique, Carrier International LTP, NewYork, USA, 2ème Edition, 1960.
[2]
Documents constructeurs : CARRIER, AIRWELL, TECHNIBEL, TRANE, CIAT, WESPER,
FRANCE AIR.
[3]
KEMAJOU A., LECOMTE D. et ESSAMA L., Des données pour le calcul des charges de
conditionnement d’air pour les climats tropicaux humides, Promoclim E, Vol. 6, n°92, 1992, p. 389398.
[4]
Norme ISO 7730, Spécification des conditions de confort thermique, Organisation Internationale de
Normalisation, Genève, 1984.
[5]
ASHRAE standard 55-81, Thermal environmental conditions for human occupancy, Amer. Soc.
Heating Refrig. Air-Condit. Ing. Inc., Atlanta, 1981.
[6]
MOURTADA A., CAKPO C., KONE M.L., Diagnostic Thermique dans le tertiaire en Côte d’Ivoire.
Normalisation et Conditions de Conforts optimales, Proceedings of the Eleventh Congress of the
International Ergonomics Association, Paris, FRANCE, 1991.
[7]
NGANYA T., Etude et Possibilités d’utilisation des isolants locaux dans l’habitat au Cameroun,
Mémoire de DEA Energétique, ENSP, Yaoundé, Cameroun, 1994.
[8]
COSTIC, Guide technique de la climatisation individuelle, Nouvelle édition, SEDIT Editeur, France,
1995, 185 p.
[9]
Logiciel CODYBA et CASAMO CLIM, Agence de l’Environnement et de maîtrise de l’énergie,
Mallette pédagogique, PULPE, 1992.
[10 KEMAJOU A., Confort thermique en situation réelle et mesure d’économies d’énergie dans les
bâtiments tertiaires au Cameroun, Thèse de Doctorat en Sciences de l’Ingénieur, Génie
Energétique, ENSP, Yaoundé, Cameroun, 1995, 256p.
[11] NJOMO D., Modélisation des variations mensuelles de l’irradiation solaire reçue au Cameroun,
Modelling, Simulation and Control, C, AMSE Press, vol. 18, N° 1, 1988 pp. 39-64.
[12] THIBON J. et CAKPO C., Méthodologie de diagnostic énergétique, Actes de l'Atelier sur la Maîtrise
de l'énergie dans les bâtiments, PRISME, IEPF, Ademe, Yaoundé, 1993, p. 222-233.
[13] BLANC E., CALVAS R., GALLAIS F. et SCHULTZ F., Guide de l’installation électrique. Editions
Merlin Gérin, France, 1982.
[14] BOURGEOIS R., COGNIEL E., Mémotech Electrotechnique, Edition André CASTEILLA, Paris,
France, 1986.
35
LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------
36
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
CHAPITRE 2
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
2.1
EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME ..................................................................... 38
2.1.1 Rendement de Carnot d’un compresseur .............................................................................................38
2.1.2 Coefficient de performance d’une installation.....................................................................................40
2.1.3 Coefficient d’exploitation d’un système .............................................................................................41
2.2
CONSOMMATION ENERGETIQUE ANNUELLE D'UNE INSTALLATION ................. 41
2.2.1 Les éléments de consommation de l’énergie .......................................................................................41
2.2.2 Consommation annuelle du compresseur ...........................................................................................41
2.2.3 Consommation des auxiliaires permanents..........................................................................................42
2.2.4 Consommation des auxiliaires non-permanents...................................................................................43
2.2.5 Consommation globale annuelle de l’installation ................................................................................43
2.3
L'ENERGIE FRIGORIFIQUE.................................................................................................. 43
2.4
ENTRETIEN MAINTENANCE ................................................................................................ 44
2.4.1 Le contrat d’entretien...........................................................................................................................44
2.4.2 Le contrat d’exploitation.....................................................................................................................44
2.5
COUT GLOBAL D'EXPLOITATION ..................................................................................... 46
2.6.
EXEMPLE ................................................................................................................................... 46
37
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
2.1 EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME
2.1.1 Rendement de Carnot d’un compresseur
Dans un système frigorifique classique à compression de vapeur, les pertes énergétiques se
répartissent comme suit :
◊ 45 à 50 % pour le compresseur,
◊ 35 à 40 % pour les échangeurs,
◊ 10 à 15 % pour le détenteur et annexe.
Le compresseur, quel que soit son type (alternatif à pistons, à vis, centrifuge, rotatif, spiro-orbital) et son
mode de construction (hermétique, hermétique accessible, ouvert), est le composant absorbant la plus
grande quantité d’énergie du système frigorifique.
C’est lui également qui est le siège des plus grandes pertes énergétiques entraînant une
consommation d’électricité additionnelle au minimum théorique requis.
L’énergie électrique absorbée par le compresseur permettra de :
◊ Réaliser au minimum le cycle frigorifique théorique selon les lois fondamentales de la
thermodynamique,
◊ Compenser les inévitables pertes énergétiques engendrées dans le compresseur. Ces
divers pertes peuvent être évaluées sur la base des notions de rendement et d’efficacité.
Energie absorbée = Energie Théorique Requise + Pertes Energétiques
2.1.1.1 L’efficacité théorique
L’efficacité théorique Eth du cycle idéal de Carnot est une référence absolue et universelle pour
apprécier la performance d’une machine thermodynamique, tel un compresseur frigorifique.
L’efficacité théorique d’une machine frigorifique idéale est donnée par l’expression fondamentale :
Eth = To / (Tc-To)
38
•
To = température absolue de la source froide (évaporateur)
•
Tc = température absolue de la source chaude (condenseur)
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
L’efficacité théorique correspond au rapport de la puissance frigorifique produite Po à la puissance
énergétique minimale qui serait absorbée par une machine idéale (sans pertes), aux températures To
et Tc des sources chaude et froide correspondantes.
Eth = Po / Pth
Cette puissance absorbée minimale n’est jamais atteinte pour une machine réelle, car les pertes
internes à combattre absorbent une importante puissance additionnelle.
2.1.1.2 Efficacité réelle
L’efficacité réelle Er d’un compresseur frigorifique est exprimée par le rapport de la puissance
frigorifique produite Po à la puissance énergétique Pw réellement absorbée par le compresseur
frigorifique dans les conditions d’opération.
Er = Po / Pw
Selon Carnot l’efficacité réelle Er est une fraction plus ou moins grande de l’efficacité théorique Eth car
la puissance énergétique réellement absorbée par le compresseur Pw est toujours supérieure à la
puissance énergétique minimale théorique Pth.
Pw > Pth
2.1.1.3 Rendement de Carnot
Le rendement de Carnot du compresseur Nc est le rapport de l’efficacité réelle Er à l’efficacité théorique
maximale Eth du compresseur frigorifique:
Nc = Er / Eth
ou encore
Nc = Pth / Pw
Ce rendement exprime la performance globale du compresseur.
Le tableau 2.1 (page suivante) fournit ce rendement pour différents types de compresseurs.
39
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
2.1.2 Coefficient de performance d’une installation
2.1.2.1 Le Coefficient de Performance théorique (COPth)
La machine frigorifique permet un transfert de chaleur de l’évaporateur vers le condenseur. Ce transfert
est réalisé à l’aide d’un compresseur qui consomme une certaine quantité d’énergie.
On appelle coefficient de performance théorique, le rapport de l’énergie frigorifique fournie à la quantité
d’énergie nécessaire pour comprimer le fluide frigorigène.
2.1.2.2 Le Coefficient de Performance réel (COPréel)
Le coefficient de performance réel est le rapport de l’énergie frigorifique fournie à l’énergie incidente.
Le COPth et le COPréel ne renseignent pas réellement sur les conditions d’utilisation et de
fonctionnement de toute l’installation de climatisation. Ils ne prennent pas en compte le circuit
aéraulique et les autres éléments tels que les pompes et les tours de refroidissements.
Type du
compresseur
Mode de
construction
Fluide
véhiculé
Rendement de
Carnot usuel
R134a
R134a
R22
R22
Gamme de
puissance
[kW]
0.1 / 1
1/5
2 / 15
1 / 50
Alternatif
(à piston)
Hermétique
Hermétique
R22
NH3
R22
4 / 15
100 / 1000
4 / 15
0.5 / 0.72
0.6 / 0.69
0.5 / 0.72
Hermétique
R22
40 / 60
0.5 / 0.6
Hermétique –
accessible
Ouvert
R22
40 / 100
0.55 / 0.65
R 22
NH3
R123
50 / 100
100 / 1000
500 / 1000
0.57 / 0.67
0.6 / 0.7
0.58 / 0.66
R123
300 / 1000
1000 / 2000
0.60 / 0.65
0.60 / 0.70
Hermétique –
accessible
Ouvert
Spiro-orbital
(Scroll)
A vis
Centrifuge
Hermétique accessible
Ouvert
0.2 / 0.33
0.33 / 0.41
0.4 / 0.53
0.45 / 0.60
Tableau 2.1 Rendement de Carnot de divers types de compresseurs frigorifiques.
[Source: "revue Professionnelle du Froid 84"]
40
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
2.1.3 Coefficient d’exploitation d’un système
La consommation énergétique d’une installation frigorifique est en premier lieu fonction de ses
conditions d’utilisation, donc des besoins de froid réels et de leur variation durant la saison. A tout
besoin de froid correspond une condition de fonctionnement de l’installation (température
d’évaporation, température de condensation). Pour déterminer la consommation d’énergie d’une
installation, il est nécessaire d’intégrer tout au long de l’année les puissances absorbées à chaque
régime de marche de tous les éléments consommant de l’énergie.
2.2 CONSOMMATION ENERGETIQUE ANNUELLE D'UNE INSTALLATION
2.2.1 Les éléments de consommation de l’énergie
Les éléments consommant de l’énergie dans une installation frigorifique sont les suivants :
◊
Le compresseur Cc,
◊
Les auxiliaires permanents Cp,
◊
Les auxiliaires non-permanents Cnp,
◊
Les pertes en réseau qui augmentent les besoins de froid donc la durée de fonctionnement
du compresseur (cette consommation est intégrée dans Cc),
◊
Le dégivrage Cd qui augmente les besoins de froid en produisant de la chaleur à
l’évaporateur, perte qu’il faudra compenser par un fonctionnement supplémentaire du
compresseur en cycle froid,
◊
La consommation globale annuelle de l’installation est la somme des consommations de
tous les éléments cités ci-dessus.
Le calcul de la consommation d’énergie se fera en fonction de la variation des besoins de froid et du
nombre d’heures correspondant à chacun de ses besoins; ceux-ci seront spécifiques à chaque
installation.
2.2.2 Consommation annuelle du compresseur
La puissance frigorifique (Qo) et la puissance absorbée (Pa) d’un compresseur varient suivant les
températures d’évaporation et de condensation.
Les hypothèses de calcul sont les suivants :
◊
Les besoins frigorifiques sont répartis en n valeurs de puissance BFj,
◊
BF besoin frigorifique maximum,
◊
i est l’indice de régime de fonctionnement,
◊
j est l’indice de besoin de froid.
41
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
Taux de fonctionnement
Tfij = BFj / Qoi
Nombre d’heure de fonctionnement
hcij = nhij * BFj / (RPFij * Qoi)
Consommation partielle pour un besoin de froid Bfj
Ccij = Pai * hcij
Consommation annuelle du compresseur
Cc (kW) = Σ Σ Ccij
•
Qoi
= puissance frigorifique produite sous le régime i, exprimée en kW
•
nhij
= nombre d’heure d’utilisation pour un besoin en froid Bfj, sous le régime i
exprimé en heures
•
Pai
= puissance électrique absorbée sous le régime i, exprimée en kW
•
RPFij = rendement de production de froid sous le régime i
Un régime est défini par les températures d’évaporation et de condensation.
2.2.3 Consommation des auxiliaires permanents
Ces organes fonctionnent en permanence, ce sont les ventilateurs, les pompes, etc.
Cp = (Pv + Pp) * Σ Σ nhij
• Pv = Σ puissances des ventilateurs
• Pp = Σ puissances des pompes
42
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
2.2.4 Consommation des auxiliaires non-permanents
Ces organes sont asservis au fonctionnement du compresseur (résistance de carter, vanne magnétique
départ liquide, etc.)
Cnp = Prc * (Σ Σ nhij - Σ Σ hcij) + Pvm * Σ Σ hcij
• Prc =
puissance de la résistance de carter (consomme uniquement à l’arrêt du
compresseur)
• Pvm = puissance de la vanne magnétique.
2.2.5 Consommation globale annuelle de l’installation
La consommation globale annuelle de l’installation est la somme des consommations de tous les
éléments consommant de l’énergie. Elle est égale à :
C (kWh) = Cc + Cp + Cnp + Cd
Remarque
L’équation précédente montre qu’un mauvais entretien, de mauvais réglages, une mauvaise charge en
fluide frigorigène et une mauvaise charge en fluide frigorigène et une mauvaise adaptation du système
frigorifique aux besoins, augmentent de façon importante la consommation globale de l’installation
frigorifique.
2.3 L'ENERGIE FRIGORIFIQUE
Pour déterminer « l’énergie froid » utilisée sur l’année, il faut intégrer les besoins de froid sur toute
l’année :
EF annuelle kWh = Σ (Bfj * Σnhij)
ou encore
EF annuelle = ΣEfj
Efj = Bfj * Σ nhij
•
EF est exprimée en Kw
43
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
On en déduit le coefficient d’exploitation (COE), le rapport de « l’énergie froid » annuelle à la
consommation annuelle.
COE = EF annuelle / C annuelle
Plus l’installation est performante, bien réglée et bien entretenue, plus le coefficient d’exploitation COE
sera élevé. On dit que l’installation est moins énergivore.
Les normes américaines préconisent un COE > 3, pour une installation de climatisation efficace du
point de vue énergétique.
2.4 ENTRETIEN MAINTENANCE
L’organisation de l’exploitation peut se concevoir, soit en utilisant une main d’œuvre salariée de
l’établissement, soit en confiant à des entreprises sous forme de contrat à durée déterminée ou
indéterminée ou de commandes ponctuelles.
Dans les prévisions de dépenses, les coûts de la main d’œuvre salariée doivent inclure toutes les
charges liées à cette main d’œuvre (taxes, habillement, avantages sociaux,…).
La recherche d’une plus grande économie sur le montant des charges, du confort des utilisateurs, de la
sécurité de fonctionnement, ainsi que de la protection de l’environnement conduisent de plus en plus à
faire appel à une entreprise spécialisée dans la gestion des équipements thermiques.
Deux approches sont possibles :
◊
le contrat d’entretien,
◊
le contrat d’exploitation.
2.4.1 Le contrat d’entretien
Le contrat d’entretien est un contrat de moyens au terme duquel le prestataire s’engage à mettre en
œuvre un certain nombre de moyens, définis aux contrats, qui sont destinés à maintenir l’installation
dans un état normal de fonctionnement.
2.4.2 Le contrat d’exploitation
Le contrat d’exploitation est un contrat de résultats au terme duquel le prestataire prend l’engagement
d’obtenir un résultat : en général la température dans les locaux. Il appartient à l’entreprise de définir
elle-même les moyens qu’elle estime devoir mettre en œuvre pour obtenir ce résultat.
44
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
L’engagement du prestataire de services est complet, la tranquillité du client est totale.
Les contrats d’exploitation peuvent être plus ou moins complets et complexes selon l’engagement de
résultat souhaité : il peut s’agir d’engagement allant jusqu’à 24h sur 24, 365j/an ou avec des délais
d’intervention spécifiés, pouvant mettre en jeu des moyens de télésurveillance ou de télégestion.
Ces contrats comportent plusieurs prestations complémentaires :
♦
La conduite et l’entretien courant
Cette prestation consiste à assurer le fonctionnement de l’installation : démarrage, arrêt, réglage et
l’entretien courant.
♦
Les contrats avec gestion d’énergie
Cette prestation consiste à dégager le client du souci de l’alimentation en énergie en le prenant en
charge. Elle décharge le client du souci des relations avec le concessionnaire, du choix des tarifs et
de la qualité de l’énergie pour le réseau électrique.
On distingue 3 types de contrats avec gestion d'énergie:
◊ Au forfait, la facturation étant la même chaque année aux variations des conditions
économiques,
◊ En fonction de la température extérieure, la facturation étant ajustée en fonction des
données climatiques,
◊ En fonction des arrêts liés aux pannes sur les installations.
On trouvera davantage d'informations sur ce sujet au chapitre 5 du tome 2.
♦
La garantie totale
Cette prestation comporte le renouvellement et le gros entretien des matériels, moyennant une
rémunération annuelle forfaitaire et dans le cadre d’un engagement de longue durée (maximum de
10 ans). Elle dégage le gestionnaire de tout souci financier en cas d’investissement lourd sur
l’installation.
45
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
2.5 COUT GLOBAL D'EXPLOITATION
Le coût d'exploitation se décompose en deux termes:
CGEx = CE + CM
• CE = Coût énergie liée à la climatisation
• CM = Coût d’entretien et de maintenance
Remarque
A la réception d’un équipement, d’une installation de climatisation, il faut obtenir la remise des
documents suivants :
◊
Plans et schémas d’exécution,
◊
Notice de fonctionnement, de réglages,
◊
Notice d’entretien, de diagnostic, d’incidents,
◊
Liste des pièces de rechange préconisées.
2.6. EXEMPLE
Exemple
Reprenons l'exemple d'une installation frigorifique dont le bilan thermique est décrit dans l'excellent
ouvrage de J. Bernier ("L'itinéraire d'un frigoriste" paru chez PYC- Editions) : l’analyse est intéressante
pour visualiser l’origine des consommations d’une installation.
" L'installation fonctionne toute l'année avec des besoins maximum de froid (Besoin de Froid = BF) de
10 kW. Pour simplifier, on répartira la puissance frigorifique par pas de 1 kW.
Le tableau page suivante illustre le calcul de consommation de cette installation fictive. Par exemple,
l'installation a fonctionné durant 400 heures à 6 kW-froid, avec une température de condensation de
40°C.
On remarquera que le nombre d'heures de la deuxième ligne correspond à un total de 8 760 heures,
soit une année.
Les lignes 3, 4 et 5 indiquent la répartition de ces heures en fonction du régime de fonctionnement du
compresseur, lui-même fonction de la température extérieure.
46
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
Nous allons mettre en situation le compresseur et déterminer ainsi ses consommations partielles à
chaque régime de marche. La température d'évaporation est supposée constante à - 10°C.
BF - Besoin de Froid
(kW)
durée totale
heures
durée heures
condensation
50°
durée heures
condensation
40°
durée heures
condensation
30°
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
800
150
200
150
100
700
500
300
260
200
600
100
130
700
300
200
100
-
-
-
200
400
500
600
400
300
200
80
60
50
-
100
200
200
300
200
200
220
200
150
Exemple de répartition sur l'année des besoins de froid et des temps de
fonctionnement à chaque régime (en heures)
♦
Consommation du compresseur
La puissance frigorifique et la puissance absorbée d'un compresseur varient suivant les températures
d'évaporation et de condensation. La figure ci-dessous illustre ces variations pour notre exemple.
La puissance frigorifique au régime extrême - 10/+ 50°C est de 11 kW.
On notera que les courbes utilisées correspondant aux conditions réelles de surchauffe et de sous
refroidissement, et non aux conditions nominales données par le constructeur.
47
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
Reprenons maintenant notre tableau de fréquences que nous allons compléter avec:
- la puissance absorbée à chaque régime
- le taux de fonctionnement (pourcentage temps de marche horaire)
- le nombre d'heures de fonctionnement
Cependant, il faut savoir que pour les faibles taux de fonctionnement, le rendement de production de
froid s'écroule littéralement. C’est normal, iI ne doit pas seulement couvrir le BF, mais aussi la mise à
température du circuit, qui après chaque arrêt se réchauffe complètement.
48
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
♦
Exemple d’affaiblissement de la Production de froid en fonction du taux d’utilisation du
compresseur (Rendement de production de froid RPF
Ainsi, l'installation étudiée doit assurer pendant 50 heures une puissance froid de 1 kW lorsque la
condensation se produit à 40°C. La figure ci-dessus prévoit à ce régime 13,2 kW frigorifique.
Le taux de fonctionnement sera de 1 kW/ 13,2 kW, soit 8 %. Mais à un tel taux de charge, le rendement
de production de froid est de 80%. Si bien que le temps de fonctionnement réel sera de:
50 heures x 1 kW / (0,80 x 13,2 kW) = 5 heures
D'une manière générale, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur hc à chaque
fonctionnement partiel est égal à :
hc = nh x BF / (RPF x Qo)
avec
hc, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur
nh, le nombre d'heures d'utilisation
BF, le besoin de froid
RPF, le rendement de production de froid
Qo, la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur
La consommation totale annuelle du compresseur est égale à la somme de toutes les
consommations partielles, aux divers régimes.
49
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
7
6
5
4
Régime - 10/50
Nbre heures utilisat. nh
600 1000 1300
Puissance frigo Qo kW
11
11
11
Taux fonct. %
90% 82% 73%
Rendement RPF
100% 100% 100%
Puissance absorbée kW
6
6
6
Heures fonct. hc
545
818
945
Consommation Cc kWh 3270 4908 5670
700
11
64%
99%
6
445
2670
300
11
55%
99%
6
164
984
200
11
45%
98%
6
92
552
100
11
36%
98%
6
37
222
Régime - 10/40
Nbre heures utilisat. nh
200
Puissance frigo Qo kW 13,2
Taux fonct. %
76%
Rendement RPF
100%
Puissance absorbée kW 5,6
Heures fonct. hc
152
Consommation Cc kWh 851
400
13,2
68%
99%
5,6
275
1542
500
13,2
61%
99%
5,6
306
1713
600
13,2
53%
99%
5,6
321
1800
400
13,2
45%
98%
5,6
185
1039
300
13,2
38%
98%
5,6
116
649
Régime - 10/30
Nbre heures utilisat. nh
Puissance frigo Qo kW
Taux fonct. %
Rendement RPF
Puissance absorbée kW
Heures fonct. hc
Consommation Cc kWh
100
15,2
59%
99%
5,3
60
317
200
15,2
53%
99%
5,3
106
563
200
15,2
46%
98%
5,3
94
498
300
15,2
39%
98%
5,3
121
640
200
15,2
33%
97%
5,3
68
359
Besoin de Froid - BF
(kW)
♦
10
9
8
3
2
1
200
13,2
30%
97%
5,6
62
347
80
13,2
23%
95%
5,6
19
107
60
13,2
15%
91%
5,6
10
56
50
13,2
7,5%
80%
5,6
5
28
200
15,2
26%
95%
5,3
55
294
220
15,2
20%
92%
5,3
47
250
200
15,2
13%
89%
5,3
30
157
150
15,2
6,5%
75%
5,3
13
70
Calcul de la consommation annuelle du compresseur
En additionnant toutes les consommations partielles, on trouve pour notre exemple:
Cc = 29 556 kWh/an (soit 106 400 MJ/an)
De la même manière, le temps total de fonctionnement annuel du compresseur est égal à la somme
des temps de fonctionnement partiels aux divers régimes:
hc = 5 091 heures
50
--------------------L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION
♦
Consommation des auxiliaires permanents
Comme leurs noms l'indiquent, ces auxiliaires consommateurs d'énergie fonctionnent en permanence.
Dans notre exemple, le ventilateur de l'évaporateur fonctionne en permanence, soit 8.760 heures par
an.
Il absorbe 500 W et va donc consommer par an:
Cp = 0,5 kW x 8.760 h = 4.380 kWh/an
♦
Auxiliaires non permanents
Ce sont les auxiliaires asservis au fonctionnement du compresseur (ventilateur de condenseur, vanne
magnétique départ liquide, résistance de carter, etc.)
Pour notre exemple, le ventilateur de condenseur absorbe 300 W et est asservi au compresseur. La
bobine de l'électrovanne absorbe 10 W. Le compresseur comporte en outre une résistance de carter
(non régulée) qui consomme 20 W quand le compresseur est à l'arrêt.
Nous avons vu que le compresseur fonctionnait 5.091 heures par an. Les auxiliaires non permanents
vont donc consommer:
Cnp = (0,3 + 0,01) x 5.091 + 0,02 x (8.760 - 5.091)
Cnp = 1.651 kWh/an
♦
Dégivrage
Estimer sans observation les consommations d'un dégivrage n'est pas chose toujours facile car leur
fréquence est très variable. Pour notre exemple, nous estimerons en moyenne quatre dégivrages par
jour de 15 minutes ( 0,25 heure) à l'aide d'une résistance électrique de 6 kW, ce qui conduit à une
consommation annuelle de:
Cd = 6 x 0,25 x 365 x 4 = 2.188 kWh/an
♦
Récapitulation des consommations annuelles
La consommation totale annuelle est égale à la somme des consommations de tous les composants de
l'installation soit:
C = 29.556 + 4.380 + 1.651 + 2.188 = 37.775 kWh/an ( soit 136.000 MJ)
Traduire en coût une telle consommation dépend essentiellement du régime tarifaire appliqué: entre 3
et 5 Fr/kWh, généralement. Tout dépend du moment de fonctionnement de l'installation: jour ? jour
durant la pointe ? nuit ? ...
51
L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------
♦
Quelle efficacité énergétique ?
Déterminons l'énergie froid utilisée sur l'année. Il suffit d'intégrer les besoins de froid sur l'année, donc
de totaliser les produits des besoins frigorifiques par le temps, pour les 3 régimes de marche.
Besoin de froid -BF
(kW)
10
9
8
7
6
5
4
Nombre d'heures régime- 10/50°C
600
1000
1300
700
300
200
100
Nombre d'heures régime- 10/40°C
200
400
500
600
400
300
100
200
200
300
Nombre d'heures régime- 10/30°C
3
2
1
200
80
60
50
200
200
220
200
150
TOTAL heures
800
1500
2000
1500
1000
700
500
300
260
200
BF x heures kWh
8000
1350
1600
1050
6000
3500
2000
900
520
200
♦
Exemple de calcul simplifié de l'énergie froid annuelle
L'énergie froid annuelle nécessaire est la somme des chiffres de la dernière ligne du tableau soit:
EF annuel = 61.120 kWh (220.000 MJ)
L'efficacité énergétique moyenne annuelle de l'installation frigorifique est le rapport entre l'énergie froid
produite et l'énergie électrique consommée soit, pour notre exemple:
EEmoy = 61.120 / 37.775 = 1,62
Plus l'installation sera performante, bien réglée, et bien entretenue et plus ce coefficient sera élevé, ce
qui veut donc dire tout simplement que moins l'installation sera gourmande en énergie électrique.
Remarque: ce coefficient EEmoy de 1,62 correspond à une installation frigorifique (“ froid négatif ”) et
pas une installation de climatisation puisque la température d'évaporation est de -10°C. Généralement,
une installation de climatisation aura une température d'évaporation positive, et le EEmoy dépassera 3
pour la saison. On notera également qu'aux USA toute installation de climatisation ayant un EEmoy
inférieur à 2,9 sur la saison, est interdite.
52
--------------------LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX
CHAPITRE 3
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION :
CRITERES GENERAUX
INTRODUCTION ................................................................................................................................. 54
3.1
NIVEAU DE PUISSANCE ......................................................................................................... 54
3.1.1 Climatiseur individuel à détente directe - Gamme résidentielle ..........................................................54
3.1.2 Armoire de climatisation .....................................................................................................................55
3.2
NIVEAU SONORE ..................................................................................................................... 57
3.3
CONDITIONS CLIMATIQUES................................................................................................ 61
3.4
CHOIX ENTRE MULTIPLES CLIMATISEURS DE LOCAUX ET CLIMATISATION
CENTRALE................................................................................................................................. 61
3.4.1 Climatiseurs individuels ......................................................................................................................61
3.4.2 Centrale de climatisation .....................................................................................................................61
53
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------
INTRODUCTION
Dans les pays chauds, le domaine d’emploi des appareils de conditionnement d’air est très étendu. On
distingue plusieurs modèles d’après :
◊ le type de refroidissement (appareils avec machine frigorifique incorporée ou séparée)
◊ le mode de traitement d’air (appareils fonctionnant toute l’année ou une partie de l’année
avec régulation automatique de la température et de l’humidité)
◊ le type de soufflage (directement ou par l’intermédiaire d’un réseau de gaines)
◊ l’utilisation (appareils de confort qui maintiennent un climat artificiel dans la zone de confort
ou appareils de conditionnement d’air pour l’industrie dont le rôle est de créer des conditions
climatiques en rapport avec les nécessités de la fabrication)
◊ le type de fluide circulant dans l’évaporateur
3.1 NIVEAU DE PUISSANCE
En climatisation on distingue deux quantités différentes : la puissance électrique installée et la
puissance frigorifique. En choisissant un appareil de X kWr, on sélectionne un climatiseur dont
l’évaporateur est capable de retirer X kWh de chaleur au local en une heure de fonctionnement. X
kWr constitue sa puissance frigorifique. Pour ce faire, le compresseur a absorbé une puissance
électrique plus faible. C’est donc cette puissance qui est facturée au consommateur. La puissance
installée est la puissance consommée par le climatiseur (puissance du compresseur et des
auxiliaires tels les ventilateurs et appareils de régulation).
3.1.1 Climatiseur individuel à détente directe - Gamme résidentielle
Il existe deux types de climatiseurs individuels à détente directe : les windows et les split system. Les
windows, ou climatiseurs fenêtre sont des appareils monoblocs, tandis que les splits sont des appareils
ayant un faible niveau sonore dans le local du fait de l’unité de condensation posée à l’extérieur. Leur
puissance électrique nominale va de 0,75 à 2,2 kW, et donc développent une puissance frigorifique
effective de 1,8 (2) à 7 kW. Dans la plupart des cas, la puissance est donnée en CV en raison de la
consommation électrique du compresseur. Cependant, les appareils sont de moins en moins
énergivores, étant à présent équipés de compresseurs rotatifs. Pour une bonne approximation, nous
pouvons considérer les correspondances suivantes :
1 kWr = 3 412,14 BTU/H
1 CV = 8 000 BTU/H
54
--------------------LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX
Le coefficient de performance est en général supérieur à 2,3 pour les climatiseurs fenêtre et à 2,6 pour
les splits.
Les débits moyens de soufflage s’échelonnent entre 300 et 1000 m3/h.
3.1.2 Armoire de climatisation
En général, la puissance frigorifique des armoires de climatisation s’échelonne entre 4 et 140 kW et le
débit d’air moyen de soufflage varie de 1.000 à 20.000 m3/h. Suivant le type de local, il est possible de
choisir une armoire équipée d’un réglage de l’humidité notamment pour les salles techniques
(informatique, salles d’opération…). Les armoires à détente directe peuvent être en monobloc ou en
split ; le fluide circulant dans l’évaporateur est un fluide frigorigène. Elles peuvent être aussi utilisée
avec de l’eau glacée, dans ce cas, il s’agit d’armoires à eau glacée.
Le coefficient de performance est en général supérieur à 2,5 pour les armoires à détente directe à
refroidissement par air et à 3,5 pour les armoires à refroidissement à eau.
La puissance frigorifique nominale est déterminée à partir des conditions de bases extérieures et
intérieures (voir tableau 1.4 et tableau 1.5 du chapitre 1) :
◊ Température sèche et humide de l’air extérieur,
◊ Température sèche et humidité relative de l’air intérieur.
La température de condensation permet de sélectionner plus précisément l’appareil.
La puissance frigorifique totale fournie par l’appareil augmente :
◊ Quand la température du bulbe humide th diminue,
◊ Quand la température de condensation tc diminue,
◊ Quand le débit d’air V augmente.
La puissance frigorifique totale se décompose en une partie chaleur sensible et une partie chaleur
latente. A la puissance nominale, le rapport de la chaleur sensible à la puissance frigorifique totale se
situe entre 0,75 et 0,85. Ce rapport de la chaleur est d’autant plus faible que l’air est humide. En
refroidissement sec (chaleur latente nulle), il est égale à 1.
3.1.3 Climatisation centrale
♦
Centrale de toiture (unizone) ou roof-top
La puissance frigorifique des centrales de toiture (unizones) varie de 7 à 120 kW. Le débit de
soufflage varie de 1 500 à 20 000 m3/h.
55
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------
♦
Centrale multizones
La puissance frigorifique va de 35 à 460 kW et le débit d’air maximal de soufflage est de 100.000
m3/h.
Le nombre de zones que l’on peut desservir est compris entre 6 et 20 zones selon les
constructeurs.
Pour une description plus détaillée des systèmes de climatisation, il est recommandé de se reporter
au chapitre 5.
♦
Recommandations
La puissance frigorifique nécessaire totale de locaux indépendants permet d’écarter quelques
équipements :
◊ Pour une puissance frigorifique ≤ 2,5 kW, on sélectionnera les Windows ou même les "split
system",
◊ Pour une puissance frigorifique > 2,5 kW et < 75 kW, le choix se porte vers les "split system"
ou l’armoire de climatisation,
◊ Pour une puissance frigorifique supérieure à 75 kW, on s'oriente vers l’armoire de
climatisation ou la centrale de climatisation.
Il est préférable de choisir un appareil ayant une puissance juste inférieure plutôt que celui qui a une
puissance supérieure lorsque la puissance des appareils présents sur le marché ne correspond pas à
la puissance frigorifique calculée.
Le coefficient de sécurité ne devra pas dépasser 5 % de la puissance calculée.
En Afrique, le choix est porté le plus souvent sur les climatiseurs individuels à détente directe surtout en
raison du coût plus faible à l’investissement, de la simplicité de la technologie tant pour la pose et mise
en service que pour la maintenance. Les principaux inconvénients sont au niveau de l’incidence sur
l’architecture du bâtiment et la non maîtrise de la qualité de l’air intérieur : quantité d’air neuf, taux de
filtration, niveau d’humidité…
Le choix d’un système centralisé est recommandé dans les cas suivants :
◊ Charge calorifique importante à compenser dans le respect de l’architecture du bâtiment,
◊ Amélioration du confort du local par une meilleure gestion de la température et de
l’hygrométrie, éventuellement par la réduction du niveau sonore dans les locaux à climatiser,
et aussi par la qualité de l’air intérieur,
◊ Amélioration de l’efficacité énergétique avec en même temps une réduction des coûts
d’exploitation pour le futur ; ceci est possible lors de la conception du bâtiment en prévoyant
un investissement pour un système adapté au type d’exploitation du bâtiment,
◊ Application technique spécialisée : industrielle, médicale…
◊ Meilleure gestion de la régulation,
56
--------------------LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX
◊ Facilité d’installation à la conception, coût de maintenance moins élevé en main d’œuvre et
flexibilité du design.
Le choix du type de système centralisé est fonction du type de bâtiment. D’une manière générale, il
existe 5 types de bâtiments : résidentiel, petit-tertiaire, grand-tertiaire, hôtellerie / santé, centre
commercial.
Dans les bâtiments résidentiels où le système de facturation des frais généraux ne comprend pas la
climatisation, le système idéal préconisé est le confort-zone. Il s’agit d’un système à débit d’air et
température variable pouvant couvrir jusqu’à 8…12 zones indépendantes. Chaque zone est contrôlable
individuellement grâce à une sonde d’ambiance et son registre à commande électronique. Les besoins
de chaque zone sont traités par le cerveau du système qui positionne à son tour l’unité de production
en mode chauffage ou refroidissement. Le mode chauffage n’est pas utilisé en général dans les pays
africains. Cette gestion centralisée permet de bénéficier de la non-simultanéité des charges dans le
bâtiment pour la puissance frigorifique totale de l’unité. Les précautions suivantes sont à prendre :
◊ Déterminer le zonage en fonction de la proximité des locaux et de la répartition des charges
thermiques,
◊ Equilibrer le réseau en prévoyant un débit d’air sensiblement égal par zone,
◊ Eviter les surfaces par système supérieur à 500 m2.
La centrale de traitement d’air peut-être placée à l’intérieur du bâtiment ou à l’extérieur. Elle peut être
en toiture (rooftop), en split ou en monobloc ou éventuellement par une centrale de traitement d’air à
eau glacée. La puissance frigorifique peut aller jusqu’à 460 KW. Le débit d’air maximal est de
100 000 m3/h.
En petit tertiaire, le système multi-zone est aussi recommandé.
Il est indispensable de prévoir un faux plafond ou des corniches ou fausses poutres pour le passage
des gaines. Une hauteur minimum de 400 mm est recommandé. Cependant, ce faux plafond peut-être
limité aux seuls dégagements en fonction de l’architecture des bâtiments.
3.2 NIVEAU SONORE
Le problème est de concevoir un système dont les différents équipements n’augmenteront pas le
niveau sonore dans l’enceinte conditionnée (ou, tout au moins, n’atteindront pas sa limite maximale
admissible).
Il est donc nécessaire de :
◊ Déterminer le niveau sonore existant sans équipement,
◊ Déterminer le niveau sonore qui existerait avec l'équipement,
◊ Prévoir et fournir tous les aménagements et contrôles nécessaires pour réduire le niveau
sonore dû à l’installation.
57
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------
Pour ce faire le technicien responsable devra être en possession des informations ci- après :
◊ Connaissance des niveaux sonores (dB) maxima, à ne pas dépasser (et considérés
normalement comme acceptables),
◊ Connaissance du meilleur procédé pour contrôler ou réduire, quand c’est nécessaire, le
niveau sonore entre l’équipement et l’espace climatisé.
Dans un environnement extérieur bruyant, le placement d’un climatiseur améliore le confort acoustique
intérieur car il permet de maintenir les fenêtres fermées. Cependant, les parties mobiles (compresseur,
ventilateur) sont elles-mêmes sources de bruits.
Les courbes de la page suivante définissent 4 zones de perturbations plus ou moins fortes suivant les
fréquences. Ces zones permettent d’évaluer le niveau sonore à respecter dans un local, suivant le type
d’activité qui y est pratiqué.
Les climatiseurs ont un niveau de pression acoustique qui se situe dans une zone entre 30 dB et 50 dB
pour une fréquence de 125 Hz.
Zone IV Le travail intellectuel complexe
n’est
pas
gêné
de
façon
appréciable
Zone III Le travail intellectuel complexe est
pénible, mais le travail courant
administratif ou commercial n’est
pas gêné de façon nette.
Zone II Le travail intellectuel est pénible et
le travail administratif est difficile
Zone I Une exposition prolongée provoque
la surdité professionnelle.
Figure 3.1 Courbe du docteur Wisner
Le choix d’un climatiseur est fonction de niveau maximal du bruit exigé dans le local. Voici quelques
valeurs maximales du niveau du bruit recommandées dans les locaux. Ces valeurs de "niveau de
pression acoustique" correspondent à trois niveaux de confort acoustique intérieur : grand standing moyen - minimal.
58
--------------------LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX
TYPE DE BATIMENT
GARDERIES
BATIMENTS PUBLICS
COMMERCES
HOPITAUX
HOTELS
BUREAUX
RESTAURATION
ENSEIGNEMENT
BATIMENTS SPORTIFS
TOUS TYPES
TYPE DE LOCAL
Ecoles maternelles
Crèches
Auditoriums
Bibliothèques
Cinémas
Salles d’audience de tribunal
Magasins de détail
Grands magasins
Supermarchés
Salles informatiques, grandes
Salles informatiques, petites
dB(A)
30 / 40 / 45
30 / 40 / 45
30 / 33 / 35
30 / 33 / 35
30 / 35 / 40
30 / 35 / 40
35 / 40 / 50
40 / 45 / 50
40 / 45 / 50
40 / 50 / 60
40 / 45 / 50
Couloirs
Blocs opératoires
Salles
Couloirs
Salons de réception
Chambres d’hôtel (durant la nuit)
Chambres d’hôtel (durant le jour)
Petits bureaux
Salles de réunion
Bureaux paysagers
Box à usage de bureaux
Cafétérias
Restaurants
Cuisines
Salles de cours
Couloirs
Salles de sports
Salles des enseignants
Stades couverts
Piscines
Toilettes
Vestiaires
35 / 40 / 45
35 / 40 / 45
25 / 30 / 35
35 / 40 / 45
35 / 40 / 45
25 / 30 / 35
30 / 35 / 40
30 / 35 / 40
30 / 35 / 40
35 / 40 / 45
35 / 40 / 45
35 / 40 / 50
35 / 45 / 50
40 / 55 / 60
30 / 35 / 40
40 / 45 / 50
35 / 40 / 45
33 / 35 / 40
35 / 45 / 50
40 / 45 / 50
40 / 45 / 50
40 / 45 / 50
Tableau 3.1 Niveau du bruit recommandé dans les locaux
Le tableau ci-dessous récapitule d’un coté les différentes sources possibles de bruit et, de l’autre coté
les différents modes de transmissions ainsi que les principales méthodes de réduction pouvant être
appliquées.
59
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------
Source de bruit
Différents modes de
transmission
(chemin emprunté)
Principales méthodes de réduction utilisées
Ventilateurs, diffuseurs,
grilles, bouches,
registres, équipements
individuels installés dans
le local même
Appareils à induction
unité à grande vitesse,
multizones, avec caissons
de mélange, unités
terminales à volume d’air
variable.
Réflexion par les murs, plafond et le plancher. Radiations directes source oreille.
Bruit transmis par les
parois des conduits et des
plenums, ensuite par les
murs et plafonds dans les
locaux conditionnés.
Absorption propre au local considéré et
emplacement des sources de bruit ont une
grande incidence sur le niveau sonore
enregistré par l’oreille mais dépendent surtout
de la disposition intérieure du local. Seul
remède pratique : sélection adéquate des
matériels ( silencieux, avant tout)
Disposer les gaines à grande vitesse d’air et
les parties critiques des gaines à petite vitesse
dans les emplacements extérieurs aux locaux
climatisés, à étudier avec soin. Conception
adéquate des gaines et accessoires (coudes,
piquages, etc.) pour minimiser les
turbulences.
Equipement individuel
installé en dehors du local
traité, équipements séparés (conditionneurs de
zone) : ventilateurs turbines, volet d’air, laveurs,
accessoires divers.
Bruits passant à travers les
gaines de soufflage et de
retour d’air vers les points
terminaux et dans les
enceintes conditionnées.
Sélection appropriée des ventilateurs et
turbines. Incorporation de dispositifs
classiques d’atténuation, pièges à son,
silencieux, etc.. aussi bien dans les conduits
de soufflage que dans le retour.
Compresseurs, pompes,
tours de refroidissement,
condenseur à air
Transmission à travers les
murs et planchers du local
technique. Structure du
bâtiment transmettant les
vibrations d’où génération
du bruit le long des
conduits et gaines d’air
Salle des machines dans un endroit éloigné.
Equipement d’absorption dans la ville des
machines. Isolation phonique des murs,
parois, cloisons et planchers. Sol adéquat
pour supporter les vibrations. Ventilateurs
équilibrés dynamiquement et statiquement.
Raccordement flexible (gaines et canalisations). Caissons d’insonorisation. Ecrans.
Eloignement. Sélection appropriée, etc.
Ventilateur d’extraction,
climatiseurs individuels
Radiation directe.
Transmission par les murs,
cloisons, plafonds,
planchers
Sélection et emplacements adéquats. Montage
approprié (encadrement bois, joints et
fixations souples, etc.)
Transmission croisée,
entre les locaux.
A travers les bouches de
soufflage et de reprise.
Raccordements souples, silencieux, pièges à
son, cloisons insonorisés, etc.
Tableau 3.2 Modes de transmissions et méthodes de réduction du bruit
60
--------------------LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX
3.3 CONDITIONS CLIMATIQUES
Le climat n’influence le choix d’un système de climatisation que par l’intermédiaire du bilan de
puissance du local.
Si en climat tropical sec, il est possible de rafraîchir l'air par son humidification (utilisation du "ventifraîcheur"), en climat tropical humide, on ne peut que refroidir et déshumidifier l'air par un climatiseur.
3.4 CHOIX
ENTRE
MULTIPLES
CLIMATISATION CENTRALE
CLIMATISEURS
DE
LOCAUX
ET
Avant d’opérer un choix entre le placement de multiples climatiseurs de locaux et une climatisation
centrale, il est nécessaire de donner quelques avantages et inconvénients de chaque type de
climatisation.
3.4.1 Climatiseurs individuels
Ce sont les plus petits appareils à machine frigorifique incorporée destinés à la ventilation ou au
refroidissement d’un seul local
♦
Avantages
Montage facile, bon marché, fonctionnement aisé, ne nécessite qu’un raccordement au secteur
♦
Inconvénients
Sont très bruyants, provoquent des courants d’air, nuisent à l’esthétique d’une façade.
3.4.2 Centrale de climatisation
La centrale de climatisation contient sous une carrosserie en tôle d’acier tous les éléments nécessaires
au traitement de l’air. Elle est conçue pour traiter des débits d'air plus importants atteignant
20.000 m3 / h.
On distingue trois types de climatisation centrale d’après le type de fluide primaire utilisé :
♦
Centrale de climatisation à air total
Le seul fluide utilisé est de l’air préparé par les équipements centralisés. Cet air est distribué dans
les locaux par l’intermédiaire d’un conduit.
61
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------
♦
Centrale de climatisation à eau pulsée
Le fluide utilisé est de l’eau préparée par des équipements groupés en centrale. L’eau froide est
distribuée aux appareils terminaux par l’intermédiaire d'un réseaux de tuyauteries.
♦
Centrale de climatisation mixte
Les deux fluides primaires (air et eau) sont utilisés simultanément. Ils sont préparés au moyen des
équipements groupés en centrales (centrale d’air primaire et centrale d’eau glacée). Ils sont ensuite
pulsés et distribués aux appareils terminaux situés dans les locaux à climatiser. Ce dernier système
offre une très grande souplesse de fonctionnement et un niveau de confort élevé, avantages qui
guident généralement son choix par rapport aux deux autres systèmes.
En particulier, on recommande un traitement centralisé et une distribution de l’air par gainage si :
◊ Les besoins des locaux ou des zones sont similaires car, pour réduire le coût
d'investissement, l’air est distribué à la même température dans les différentes pièces,
◊ Les locaux ou les zones ont des charges thermiques trop faibles comparées aux puissances
des appareils sur le marché,
◊ Le passage des gaines est possible (présence de faux plafonds, de locaux annexes),
◊ Les locaux de travail exigent des critères acoustiques sévères. Des climatiseurs de
« fenêtre » présentent souvent de mauvaises caractéristiques acoustiques puisque
condenseur et compresseur sont directement en contact avec le local à climatiser.
Dans ces différents cas, un seul appareil de traitement alimentera plusieurs zones via un réseau de
gaines de distribution. Cette centralisation entraînera souvent le placement de l’appareil hors des
locaux de travail et la possibilité d’une absorption acoustique par le gainage.
Un traitement séparé des locaux (décentralisé) est envisagé :
◊ Si les locaux ont des besoins différents (horaires d’utilisation, orientation des fenêtres par
exemple),
◊ Si les parois extérieures sont perçable de manière à faire traverser les liaisons électriques,
ainsi que la tuyauterie d’évacuation des condensats.
On choisit dans ce cas un traitement local par local au moyen d’appareils indépendants.
♦
Critères de qualité
D’une manière générale, une installation de qualité répondra aux exigences suivantes :
◊ Un coût d’exploitation limité,
◊ Un faible degré de déshumidification de l’air,
◊ Une absence de courant d’air,
62
--------------------LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX
◊ Un faible niveau de bruit.
Pour répondre à ces principes, il faudra examiner :
◊ L’efficacité énergétique de l’appareil,
◊ Le degré de déshumidification apporté par l’appareil (la température de l‘évaporateur doit
être la plus élevée possible),
◊ L'emplacement de l’unité intérieure,
◊ L’emplacement de l’unité extérieure,
◊ La qualité acoustique de l’installation.
63
LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------
64
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
CHAPITRE 4
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
INTRODUCTION ................................................................................................................................. 66
4.1
QUELLE CONFIGURATION SELECTIONNER ? ............................................................... 66
4.1.1 Une efficacité frigorifique élevée du compresseur ..............................................................................66
4.1.2 Intérêt pour un appareil réversible .......................................................................................................68
4.1.3 Intérêt pour le ventifraîcheur ...............................................................................................................69
4.1.4 Critères de qualité acoustique ..............................................................................................................71
4.2
QUELLE DISPOSITION DANS LE LOCAL ? ....................................................................... 73
4.2.1 Valeurs de référence : le débit maximum ............................................................................................73
4.2.2 Choix de la position de la bouche de soufflage ou du climatiseur .......................................................73
4.2.3 Choix de la position de la bouche de reprise (pour les systèmes avec gainage) ..................................77
4.2.4 Combinaison soufflage et reprise : exemples.......................................................................................80
4.2.5 Emplacement de l’unité extérieure ......................................................................................................82
4.3
UNE REGULATION ADAPTEE AUX BESOINS .................................................................. 83
4.3.1 L’emplacement du thermostat d’ambiance ..........................................................................................83
4.3.2 Le choix de la température de consigne...............................................................................................84
4.3.3 La régulation du compresseur..............................................................................................................85
4.3.4 La régulation du condenseur...............................................................................................................86
4.4
CHOIX D’UN CONDENSEUR A EAU OU A AIR ................................................................. 86
4.4.1 Condenseur à air ..................................................................................................................................87
4.4.2 Condenseur à eau .................................................................................................................................88
4.4.3 Choix d’un type de condenseur............................................................................................................91
BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................. 92
65
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
INTRODUCTION
Une installation de qualité répondra à plusieurs exigences telles que : un coût d’exploitation limité, un
degré de déshumidification de l’air limité, un faible niveau sonore et une absence de courants d’air.
Pour répondre à ces principes, il faudra examiner : la configuration de l’appareil, son efficacité
frigorifique, sa réversibilité éventuelle, la qualité acoustique de l'ensemble, la disposition de
l'évaporateur dans le local, l'emplacement de l'unité extérieure, la régulation du climatiseur, etc.…
4.1 QUELLE CONFIGURATION SELECTIONNER ?
4.1.1 Une efficacité frigorifique élevée du compresseur
La machine frigorifique permet un transfert de chaleur, d’énergie, de l’évaporateur vers le condenseur.
Ce transfert est réalisé à l’aide d’un compresseur qui consomme une certaine quantité d’énergie.
Deux facteurs vont conditionner l’efficacité énergétique du climatiseur :
◊ L’efficacité frigorifique du compresseur
◊ Le mode de régulation de l’appareil (emplacement de la sonde d’ambiance, régulation du
compresseur, régulation du condenseur)
Un climatiseur est énergiquement efficace s’il demande peu d’énergie électrique au compresseur pour
atteindre une puissance frigorifique donnée.
Figure 4.1 Bilan énergétique d‘un climatiseur
66
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Ce rapport entre l’énergie frigorifique fournie et l’énergie électrique consommée, donne lieu à deux
grandeurs identiques pour caractériser l’efficacité énergétique du climatiseur :
Le Coefficient de Performance frigorifique (COPfroid), encore appelé Efficacité Frigorifique (EF) :
COPfroid = EF = puissance frigorifique [Watt] / puissance compresseur [Watt] = Q1 / W
L'Energy Efficiency Ratio (EER) :
EER = puissance frigorifique [BTU/h] / puissance compresseur [Watt] = Q1 / W
Puisque 1 W = 3,412 BTU/h, lorsque le coefficient de performance des climatiseurs à condenseurs à
eau ou à air varie de 2 à 3, l’Energy Efficiency Ratio varie de 7 à 10.
Figure 4.2 Evolution du fluide frigorifique dans un diagramme pression-enthalpie
En pratique, lors de la sélection des équipements sur base des catalogues des fabricants, on établira le
rapport entre puissance frigorifique fournie et puissance électrique absorbée par le compresseur.
D’une manière générale, pour une puissance frigorifique donnée, un climatiseur aura une bonne
efficacité frigorifique si son évaporateur possède une surface importante et des tubes d’échange
67
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
profilés. Ainsi, pour fournir une même puissance frigorifique, le fluide frigorigène présente une
température moyenne plus élevée et donc le compresseur développe une puissance moins importante.
Remarque : lors de la comparaison de l'efficacité frigorifique de machines différentes, on sera attentif
au fait que le bilan peut parfois comprendre la consommation des auxiliaires (pompe d'eau glacée,
ventilateur du condenseur…).
4.1.2 Intérêt pour un appareil réversible
Le transfert d’énergie réalisé par la machine frigorifique peut être utilisé de plusieurs façons :
♦
Refroidissement du local
◊ Le traitement de l’air ambiant est assuré au niveau de l’évaporateur,
◊ Le condenseur évacue la chaleur à l’extérieur,
◊ L’installation est conçue, régulée pour une utilisation en mode de fonctionnement "froid"
uniquement.
♦
Chauffage du local : rare et même inexistant en zone subsahelienne
◊ Le cycle est inversé,
◊ Le traitement de l’air ambiant est assuré au niveau du condenseur,
◊ L’évaporateur puise la chaleur à l’extérieur,
◊ L’installation est conçue, régulée pour une utilisation en mode de fonctionnement "chaud"
uniquement.
♦
Cycle frigorifique réversible
Dans un cycle frigorifique normal, l’écoulement du fluide frigorifique s’effectue toujours dans un
même sens bien déterminé, à savoir : compresseur (refoulement) - condenseur (liquéfaction) détendeur (détente) - évaporateur (vaporisation) - compresseur (aspiration).
Il est possible d’inverser une partie de ce circuit (au moyen d’une vanne 4 voies expliquée à la page
suivante) de telle sorte que le compresseur, au lieu de refouler dans le condenseur, puisse refouler
les vapeurs surchauffées dans "l’ancien" évaporateur (ce dernier devenant ainsi condenseur) pour
ensuite, après la liquéfaction des vapeurs, provoquer la détente (et la vaporisation) dans l’ancien
condenseur (devenu évaporateur).
On s’aperçoit qu’il s’agit d’une inversion thermodynamique, non mécanique car le compresseur
continue de tourner dans le même sens et de refouler (et d’aspirer) exactement dans les mêmes
directions.
68
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Un système réversible (refroidissement-chauffage) est réalisé en aménageant le circuit frigorifique.
Suivant la position d’une vanne 4 voies insérées dans le circuit, on peut permuter la fonction des
échangeurs.
Figure 4.3 Schéma de l’utilisation en mode
refroidissement
Figure 4.4 Schéma de l’utilisation en mode
chauffage
En zone tropicale, le chauffage est rarement utilisé.
4.1.3 Intérêt pour le ventifraîcheur
Le refroidissement par évaporation d’eau est un procédé économique de climatisation. Le procédé est
peu vulgarisé, malgré de nombreux avantages : technologie simple, coût de mise en œuvre peu élevé,
coût d’exploitation faible,…
Ce système a une efficacité d’autant meilleure pour le climat tropical sec.
♦
Intérêt de l’humidification et santé
En présence des climats secs, l’humidification de l’air est nécessaire pour obtenir les conditions
intérieures désirées. Un air relativement sec tend à se saturer. Il absorbe à cet effet l’humidité de
tout ce qui est à sa portée : murs, meubles, plantes, animaux et naturellement l’homme. La
conséquence chez l’homme c’est l’irritation du nez, le dessèchement de la peau, de la langue et de
la gorge, la sensation intense de soif, etc. Il peut en résulter maux de tête, toux, éternuements et
maladies infectieuses qui pénètrent habituellement dans le corps humain par les voies
respiratoires.
69
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
L’humidification peut de ce fait être nécessaire, aussi bien pendant période sèche que pendant la
période froide. A ce propos, le corps médical recommande en particulier, les humidités relatives
variant de 40 à 50 % pour des températures autour de 24°C.
♦
Limite de l’humidification de l’air
Les possibilités de l’humidification de l’air sont limitées. Le processus de l’humidification s’effectue
suivant une transformation approximativement isenthalpique. La valeur limite de la teneur en eau
susceptible d’être obtenue dépend uniquement de la température humide ou approximativement de
l’enthalpie de l’air. Dans le meilleur des cas (cas idéal), l’air se sature après humidification. Sa
température sèche se confond alors à sa température humide. Mais dans la pratique le degré
hygrométrique de l’air après humidification ne peut guère dépasser 95%. Nous aurons donc dans
tous les cas la température de l’air soufflé supérieure à la température humide de l’air aspiré .
♦
Abaissement de la température de l’air par ventilo - humidification.
En présence d'un climat sec, le refroidissement de l’air peut se réaliser par une simple
humidification, sans recours à la machine frigorifique. Sous ce climat, la simple ventilation au
moyen d’un débit d’air extérieur suffisant et refroidi par humidification conduit au confort thermique.
♦
Application du principe de refroidissement par évaporation d’eau : limites d’utilisation
Dans ce genre de système, la chaleur est évacuée uniquement par ventilation au moyen de l’air
extérieur humidifié. L’enthalpie des conditions de base de l’air intérieur est nécessairement
supérieure à celle de l’air extérieur. Pour pouvoir obtenir les conditions de confort, il est
indispensable que l’enthalpie de l’air correspondant aux conditions de confort maximales de base
soit inférieure à celle correspondant aux conditions de confort admises. Le débit de l’air étant
inversement proportionnel à la différence d’enthalpie entre air intérieur et air extérieur, cette
différence ne doit pas être trop faible.
En général, on admet comme valeur minimale de cette différence (qui tient compte des apports dus
au ventilateur) 1,2 kcal/kg. Compte tenu de la valeur minimale admise pour la différence
d’enthalpie, l’enthalpie de l’air aspiré doit être liée à l’enthalpie de l’air intérieur par la relation :
h = hi - 1,2 kcal/kg.
Au-dessus de cette valeur minimale, il devient difficile d’obtenir un confort thermique comme
résultat d’un système de refroidissement direct par évaporation d’eau.
70
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
4.1.4 Critères de qualité acoustique
Un climatiseur génère certains bruits (ventilateurs, compresseur) qui peuvent provoquer des nuisances
tant pour les occupants des locaux que pour le voisinage. Le problème à résoudre est la gène
éventuelle due au bruit des équipements situés tant à l’extérieur qu’à l’intérieur du local.
Ce bruit peut se transmettre au bâtiment par voie aérienne (condenseur situé près d’une fenêtre) ou par
vibration de la structure (par exemple en cas de pose sur un balcon). Certaines précautions doivent
être prises pour l’unité intérieure et extérieure.
L’installation de l’unité extérieure doit être faite avec précaution.
En effet, le groupe extérieur est générateur de vibrations qui peuvent être transmises voire amplifiées
par l’intermédiaire du mode de fixation des conduites de fluide frigorigène ou de l’unité au mur.
Il est donc recommandé d’apporter un soin tout particulier au montage de l’unité extérieure qui devra
être placée sur une dalle désolidarisée. Les conduites de fluide frigorigène pourront être fixées par
l’intermédiaire de colliers flexibles (caoutchouc) si cela s’avère être nécessaire.
Figure 4.5 Qualité acoustique de la fixation du climatiseur
71
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Le niveau sonore du climatiseur donné par le constructeur ne peut être qu’un niveau indicatif, il
correspond à des conditions d’emplacement choisies comme standard… Le niveau global mesuré sur
site peut être complètement différent, il dépend notamment de la réverbération du bruit par les
obstacles
Pour vérifier que les valeurs de pression sonore maximales recommandées ne sont pas dépassées
pour l’occupant du local, il faut connaître le niveau de pression acoustique "Lp" effectif au niveau de
l’occupant.
En supposant connue la puissance acoustique de l’appareil Lw (voir notice de l'appareil), Lp est
déterminée par la relation :
Lp = Lw - 5 log V -10 log r + 3
•
Lp = niveau de pression acoustique au point
choisi en dB(A) (décibel A)
•
Lw = niveau de puissance acoustique de la
source sonore en dB(A)
•
V=
volume de la pièce en m3
•
r=
distance de la source sonore au point
choisi en m
Figure 4.6 Puissance et pression sonore
Un climatiseur de fenêtre est particulièrement mauvais au niveau acoustique puisque toutes les
vibrations des compresseurs sont transmises vers le local.
Figure 4.7 Comparaison du niveau de bruit Splits-window units
72
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
4.2 QUELLE DISPOSITION DANS LE LOCAL ?
L’emplacement de l’unité intérieure conditionne fortement le confort des occupants. Les mouvements
de l’air dans les locaux dépendent de la disposition des bouches de soufflage et de reprise par rapport
à l’emplacement des occupants.
4.2.1 Valeurs de référence : le débit maximum
Un déplacement d’air froid provoque facilement une impression de courants d’air (surtout à la nuque et
aux pieds).
En pratique, la vitesse moyenne de l’air soufflé Vr dans la zone d’occupation sera limitée aux valeurs
suivantes :
Locaux d’hébergement
Hôpitaux
Locaux d’enseignement
Locaux de réunion et de spectacle
Bureaux et locaux assimilés
Vr = 0,12m/s
Locaux commerciaux
Ateliers
Vr = 0,17m/s
Locaux sportifs
Grands magasins
Locaux industriels
Vr = 0,25m/s
Tableau 4.1 Vitesse maximum de déplacement d‘air
4.2.2 Choix de la position de la bouche de soufflage ou du climatiseur
Il n’y a pas nécessité d’obtenir le confort dans la totalité du local : il peut exister des zones dans
lesquelles on est certain que les occupants ne séjourneront pas.
73
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
La zone d’occupation du local est limitée dans les
recommandations EUROVENT :
Figure 4.8 Zone d’occupation dans un local de
bureau
Le jet développé doit toujours se situer en dehors de la zone d’occupation. En aucun cas le jet d’air ne
peut toucher les occupants avant qu’il ne se mélange avec l’air ambiant.
En mode « rafraîchissement », la position la plus favorable est un soufflage horizontal sous plafond qui
permet d’éviter la stratification de l’air et les courants d’air incontournable des la zone d’occupation
Figure 4.9 Distribution de l‘air dans le local soufflage horizontal sous plafond
Figure 4.10 Distribution d‘air dans le local soufflage par grille normale
Dans ce cas, l’emplacement des parois de séparation ne doit pas entraver la circulation de l’air dans
l’ensemble du local (voir figure 4.11).
Notons que cette disposition de soufflage sous plafond peut cependant devenir inconfortable si la
hauteur sous plafond du local est trop faible. Il sera alors difficile d’éviter un soufflage dans la zone
d’occupation.
74
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Figure 4.11 Homogénéité de la distribution de l’air traité
De plus les climatiseurs disposent généralement d’une gamme de trois vitesses. Si le dimensionnement
de l’appareil est réalisé sur base de la vitesse maximale, un fonctionnement courant à vitesse réduite
risque de provoquer une retombée rapide du jet d’air sur les occupants entraînant leur inconfort.
Figure 4.12 Distribution de l’air en fonction des vitesses
La diffusion d’air des climatiseurs sera donc de préférence conçue sur base de leur vitesse moyenne. Il
faudra donc examiner dans le catalogue des fabricants sur quelle base de vitesse est calculée la
puissance de l’appareil proposé.
Dans le cas d’appareils délocalisés, la présence d’un gainage et de bouches de diffusion réglables
diminue la sensibilité à ce facteur.
Lorsque l’appareil assure également la fonction chauffage, un soufflage vertical au départ d’une bouche
située au sol ou d’une disposition en allège (on parlera souvent de console) est la solution la plus
favorable puisque la stratification de la température de l’air est limitée et le rayonnement froid du vitrage
en période froide est diminué.
75
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Cette disposition impose qu’en mode « refroidissement », personne ne se trouve à proximité immédiate
de la bouche de soufflage. De même, on évitera les tablettes, rideaux… qui peuvent entraver une
diffusion correcte de l’air.
Figure 4.13 Distribution de l‘air si pulsion verticale
Si un appareil disposé en plafond doit assurer à la fois le refroidissement et le chauffage, il est
important qu’il dispose d’un réglage de l’orientation du jet permettant une pulsion horizontale en période
chaude pour éviter la retombée d’air froid sur les occupants et orientée vers le bas en période froide
pour limiter la stagnation d’air chaud au plafond.
Si tel n’est pas le cas (par exemple dans un système avec gainage ou la grille de pulsion n’est pas
orientable), il faudra pouvoir régler la vitesse de pulsion. L’appareil en mode chauffage devra
fonctionner à grande vitesse pour augmenter le brassage de l’air.
Enfin, quel que soit le mode utilisé, les systèmes à soufflage d’air horizontal ou oblique disposés au sol
ou à mi-hauteur (climatiseur mobile, monoblocs en allège) sont ceux qui poseront à priori le plus de
problèmes d’inconfort.
Figure 4.14 Inconfort lié au jet d‘un climatiseur de fenêtre
76
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Pour se donner une latitude de réglage tant en froid qu’en chaud, la puissance de l’appareil sera
choisie non pas sur base de la vitesse maximum mais bien sur base d’une vitesse moyenne ou même
sur base de la plus petite vitesse.
♦
Evacuation des condensats
Les condensats extraits de l’air ambiant au niveau de l’évaporateur doivent être évacués. En
fonction de l’emplacement de l’évaporateur, ceci pourra s’effectuer par écoulement naturel ou au
moyen d’une pompe de relevage (par exemple, dans le cas d’une cassette montée en faux
plafond).
Remarques techniques :
◊ En allège un appareil d’évacuation dispose de moins de pente qu’en plafond
◊ La présence de poutres perpendiculaires au chemin probable d’évacuation rend les
choses plus difficiles
◊ Le raccordement de l’évacuation dans une décharge commune doit se réaliser via un
siphon pour éviter la propagation des odeurs
Comme on le voit, l’évacuation des condensats n’est pas toujours aisée. Il est important de vérifier
comment l’installateur propose de la réaliser et si elle est comprise dans sa remise de prix.
L'évacuation est faite en général par un tube rigide en PVC, avec un raccordement sur
l’évaporateur avec du flexible armé de préférence. Dans le cas de passage dans le faux plafond et
en l’absence de données précises sur la température de condensation, nous recommandons
d’isoler la tuyauterie pour éviter la condensation.
Il ne faut pas non plus oublier que la facilité d’accès de l’évaporateur déterminera en partie son coût
d’entretien et le coût du service après-vente.
4.2.3 Choix de la position de la bouche de reprise (pour les systèmes avec
gainage)
Comparons l’effet d’une grille utilisée en soufflage à celui de la même grille utilisée en aspiration, pour
une même vitesse d’air (ici 3 m/s) :
◊ la bouche de soufflage produit un jet d’une portée de 7 m
◊ la bouche de reprise a une portée de 0,3 m seulement (dans les deux cas, la portée
correspond à l’enveloppe relative à une vitesse de 0,2 m/s)
77
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Figure 4.15 Distribution du jet d‘air en soufflage et aspiration
En aspiration, la vitesse de l’air chute très rapidement avec la distance à l’ouverture car l’air aspiré
provient de tout l’espace autour de la bouche. Cette vitesse n’est donc pas critique au niveau du confort
thermique mais elle peut cependant l’être au niveau du confort acoustique.
Position de la bouche de reprise
Au-dessus de la zone d’occupation
Dans la zone occupée loin des sièges
Dans la zone occupée près des sièges
Bouches de portes
Sous les portes
Vitesses de reprise recommandées
4,5 m/s
3,5 - 4,5 m/s
2,5 - 3,5 m/s
1,5 - 2 m/s
1 - 1,5 m/s
Tableau 4.2 Vitesse d‘air des bouches de reprise
Par contre, lors de l’implantation de la reprise, il faut prendre en considération le phénomène de courtcircuit : l’air soufflé est aspiré avant d’avoir rempli son office, c’est-à-dire avant d’avoir influencé la
température de l’ambiance.
78
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Figure 4.16 Mauvaise efficacité du jet d‘air: vue en coupe et en plan
La reprise en plafond est déconseillée lorsque le climatiseur doit fonctionner aussi en mode chauffage.
En effet, l’air chaud ayant tendance à rester à proximité du plafond, il y a des risques de reprise directe
de l’air chaud avant qu’il ait rempli son office.
Par contre, en refroidissement seul, il n’y aura pas court-circuit si la bouche de reprise se trouve audelà de la portée maximale des bouches de soufflage.
Paradoxalement, c’est lorsque soufflage et reprise sont proches l’un de l’autre que le brassage est le
meilleur. Ainsi, dans certains diffuseurs plafonniers circulaires, l’air est parfois soufflé par les cônes
extérieurs et aspiré en partie centrale.
Figure 4.17 Bonne efficacité des diffuseurs et extracteurs plafonnier
Si le projet comprend le placement d’un faux-plafond avec rénovation de l’éclairage, la reprise peut être
réalisée au travers des luminaires encastrés. Les charges thermiques du local sont diminuées et la
durée de vie des lampes est allongée.
79
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Figure 4.18 Prise d‘air dans un luminaire
La disposition en partie haute de mur est possible à condition que le soufflage et la reprise soient
groupés.
Figure 4.19 Bouches murales de pulsion et de reprise d‘air
La reprise au sol est toujours à déconseiller car les bouches se transforment rapidement en collecteurs
de poussières.
4.2.4 Combinaison soufflage et reprise : exemples
Voici quelques exemples de dispositions de climatiseurs et de bouches de reprise (sommairement
classés du plus confortable au moins confortable).
80
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Avantages
Configurations
Inconvénients
◊ Distribution
optimale de l’air
◊ Bruit réduit
◊ Faux plafond mis à
profit
◊ Multiplicité des
combinaisons
◊ Risque de court circuit
si les bouches sont
trop rapprochées
◊ Distribution
optimale de l’air
◊ Bruit réduit
◊ Faux plafond mis à
profit
◊ Difficulté d’évacuation
des condensats
(nécessité d’une pente)
◊ Fonctionnement
correct en
chauffage et
refroidissement
◊ Risque de court-circuit
◊ Si vitesse de soufflage
trop faible
◊ Encombrement au sol
◊ Difficulté d’évacuation
des condensats
(nécessité d’une pente)
◊ Distribution
optimale de l’air
froid en pluie
◊ Encombrement au
sol nul
◊ Stratification des
températures en mode
chauffage
◊ Risque de gradient
horizontal des
températures
81
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
◊
Encombrement au
sol nul
◊ Court-circuit en mode
chauffage
◊ Stratification des
températures en mode
chauffage
◊ Vitesse de l’air souvent
trop élevée dans l’espace
occupé
◊
Unité en colonne
destinée au grand
volume
◊ Inconfort à hauteur
d’homme à proximité
◊ Risques de court-circuit
◊ Risque de gradient
horizontal des
températures
4.2.5 Emplacement de l’unité extérieure
L’emplacement du condenseur jouera un rôle non seulement sur l’aspect extérieur du bâtiment mais
aussi sur l’efficacité énergétique du climatiseur. Souvent, il ne faudra donc pas hésiter à consentir un
léger surcoût en matière de liaisons frigorifiques et électriques pour que celui-ci puisse remplir
correctement son rôle, tout en ne perturbant pas le voisinage.
Attention à ne pas dégrader l’efficacité énergétique ! La position du condenseur conditionnera la
consommation énergétique du climatiseur, ainsi que sa fiabilité et son longévité.
Erreurs à ne pas commettre :
♦
Placer le condenseur dans une zone fortement ensoleillée
Plus la température de l’air extérieur est élevée, plus le condenseur aura des difficultés pour
évacuer la chaleur. L’exemple extrême est le placement du condenseur sur une toiture recouverte
d’un revêtement d’étanchéité foncé. En période d’ensoleillement, la température de surface de la
toiture à cet endroit peut allègrement dépasser les 70°C. Par contre, le placement du condenseur
dans une cour ombragée et bien ventilée sera favorable au rendement.
82
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
♦
Placer le condenseur face aux vents dominants
Dans ce cas, pour évacuer l’air, le ventilateur devra vaincre l’opposition du vent et par ce fait ne
pourra travailler correctement.
♦
Placer le condenseur sur une toiture non accessible
Si une ″échelle de pompier″ est nécessaire pour entretenir l’appareil, cet entretien sera peu à peu
délaissé. Les performances du climatiseur et sa longévité s’en ressentiront. Le coût d’un
dépannage sera également nettement plus élevé.
♦
Placer le condenseur au sol près de parterres
La présence de feuilles mortes, de terre, de poussières facilement aspirées par le ventilateur,
entraînera un encrassement rapide du condenseur.
♦
Détruire l’esthétique du bâtiment
Les condenseurs sont des éléments souvent peu esthétiques. Pour déterminer leur emplacement, il
faudra donc examiner leur intégration possible au bâtiment. On privilégiera une position non visible.
♦
Oublier l'importance de l’entretien
Le condenseur doit être à la fois placé dans un endroit d’accès aisé pour l’entretien et peu soumis à
l’encrassement.
4.3
UNE REGULATION ADAPTEE AUX BESOINS
4.3.1 L’emplacement du thermostat d’ambiance
La température ambiante du local conditionné est régulée au moyen d’un thermostat d’ambiance
agissant sur le fonctionnement du compresseur. Le ventilateur du soufflage est soit commandé en
même temps que le compresseur, soit fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement
est plus favorable au confort car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation
inconfortable d’air chaud ou froid.
L’emplacement du thermostat joue un rôle important sur la consommation et sur le confort. Il doit être
placé à un endroit représentatif de la température moyenne du local, c’est-à-dire éloigné des sources
chaudes ou froides (lampe, fenêtre en été, zone ensoleillée, dans la zone de soufflage de l’appareil…).
Le placer dans le local sera donc préférable que de le placer dans la bouche de reprise. Dans le cas
contraire, il devra être étalonné.
83
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Au simple contrôle de la température ambiante doivent s’ajouter, pour assurer un fonctionnement
économique, des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise éventuellement
anticipées de manière intelligente.
L’emplacement de la commande du thermostat et sa facilité de manipulation joueront un rôle sur la
gestion efficace de l’ambiance par l’occupant. Par exemple si la commande se trouve sur l’appareil au
plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température.
4.3.2 Le choix de la température de consigne
En été si l’air est calme, la zone de confort correspond à une température de l’air comprise entre 23°C
et 26°C, pour des occupants en tenue légère de travail.
Figure 4.20 Evolution de la consigne en fonction de la température extérieure
Idéalement, un lien doit exister entre consigne de température intérieure et niveau de température
extérieure. Ce lien qui est automatisé dans les installations complètes de conditionnement d’air, doit
être réalisé manuellement pour les climatiseurs.
Ainsi un écart de 6°C maximum sera créé, afin de ne pas provoquer de « choc thermique »
inconfortable lors de l’accès au bâtiment.
Il revient donc à l’occupant consciencieux de modifier manuellement la consigne de température en
fonction de la température extérieure. Pour des raisons d’économie d’énergie et de confort, on ne peut
maintenir une consigne de température à 22°C, par exemple, si la température extérieure est de 32°C.
Dans ce cas la consigne doit être ajustée à 26°C au minimum.
84
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Figure 4.21 Régulation par marche/arrêt
4.3.3 La régulation du compresseur
Un climatiseur, dimensionné pour vaincre les apports thermiques maximum (solaire, par exemple)
fonctionne très souvent à charge partielle. Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET du
climatiseur entraîne des fluctuations inconfortables de la température du local et des mauvaises
conditions de rendement du compresseur.
Les climatiseurs équipés de compresseurs à vitesse variable peuvent adapter leur puissance
frigorifique à la charge thermique du local. Quand l’écart mesuré entre le point de consigne et la
température du local augmente, le système de régulation agit sur la vitesse de rotation du compresseur
qui voit sa puissance frigorifique augmenter. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il
permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement. Notons que le
démarrage du compresseur se fait toujours à basse vitesse, contrairement au fonctionnement
MARCHE/ARRET. La pointe de courant nécessaire au démarrage est ainsi fortement réduite.
Lorsqu’une unité extérieure alimente plusieurs unités intérieures (système multi–split), l’ambiance de
chaque local doit pouvoir être régulée séparément (y compris la coupure en cas d’inoccupation). Dans
ce cas, une régulation en vitesse variable du compresseur permettra d’adapter la puissance de
production de froid en fonction des besoins totaux réels.
85
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Figure 4.22 Régulation INVERTER
4.3.4 La régulation du condenseur
Certains locaux à charges internes importantes (par exemple, les salles informatiques) doivent être
climatisés en période sèche, mais aussi en période plus froide. Dans ce cas, lorsque la température de
l’air extérieur diminue, la capacité de refroidissement du condenseur augmente.
Paradoxalement, cette situation perturbe le fonctionnement correct de l’évaporateur et entraîne une
perte de puissance de ce dernier. Le confort dans le local n’est alors plus assuré. A l’extrême, le
pressostat basse pression de sécurité de l’appareil peut commander l’arrêt de l’installation.
Pour remédier à ce problème, il faut que la puissance du condenseur soit régulée en fonction de la
température extérieure. Si la température de l’air diminue, le débit d’air doit aussi diminuer afin de
conserver un échange constant.
Ainsi un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être
équipé d’une variation de la vitesse du ventilateur de condenseur : au minimum, le fonctionnement du
ventilateur sera commandé en tout ou rien. Idéalement la vitesse sera modulée, soit en continu, soit par
paliers.
La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat placé
sur le condenseur. La puissance d’échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la
saison.
4.4 CHOIX D’UN CONDENSEUR A EAU OU A AIR
Le rôle du condenseur est d’évacuer la chaleur absorbée à l’évaporateur et au compresseur par le
fluide frigorigène. Le fluide extérieur à réchauffer est soit de l’air, soit de l’eau.
86
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
4.4.1 Condenseur à air
En climatisation individuelle, le type le plus courant est le condenseur à tubes ailettés avec un ou
plusieurs ventilateurs hélicoïdes au centrifuges. Les tubes sont reliés en série ou en série-parallèle
entre deux collecteurs, un collecteur d’alimentation en vapeur surchauffée de fluide frigorigène et un
collecteur départ liquide. Le diamètre des tubes varie de 9 à 16 mm, ils sont généralement en cuivre.
Les ailettes en aluminium sont fixées par sertissage sur le tube. Leur pas (écartement entre deux
ailettes) varie de 1 à 4 mm. Les condenseurs à air peuvent recevoir une protection contre les
corrosions par différents procédés : film plastique, Blygold, Polual, ailettes cuivre… Le choix de la
protection est fait en fonction du coût, du rendement du condenseur qui peut être réduit et du type
d’ambiance corrosive : marine, rurale, urbaine ou industrielle.
En fonction de leur puissance frigorifique et leur utilisation, les armoires de climatisation à condenseur
refroidi par air se scindent en trois types :
♦
Les armoires de climatisation compacte (climatiseur armoire)
Leur puissance frigorifique pratique varie de 4 à 120 kW. Malheureusement ces « armoires », du
fait des débits de refroidissement important, ont tendance à être bruyantes. C’est la raison pour
laquelle on leur préfère souvent les armoires à condenseur refroidi par eau.
♦
Les armoires à condenseur à air séparé (split system)
Le condenseur est séparé de l’armoire et installé à proximité sur un toit ou une terrasse (voir figure
4.23). Une tuyauterie aller et retour de fluide réfrigérant relie le condenseur à armoire. Leur
puissance frigorifique va de 12 à 220 kW.
♦
Les appareils compacts installés en toiture (roof-top)
Ces appareils couvrent une gamme de puissances allant de 7 à 350 kW. Ce sont déjà des
centrales de production d’air.
87
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Figure 4.23 Armoire de climatisation avec condensateur à l‘extérieur
4.4.2 Condenseur à eau
En climatisation individuelle, le type le plus couramment rencontré est le condenseur à double tubes
coaxiaux. Il est composé de deux tubes de cuivre concentriques enroulés ensemble en spirale. Dans le
tube intérieur circule l’eau, le fluide frigorigène se condense dans le second tube. Les fluides circulent à
contre courant.
Figure 4.24 Tube d‘un échangeur à contre-courant
On rencontre également des échangeurs à plaques peu encombrants et possédant un haut rendement.
Ceci a comme avantage de diminuer la quantité de fluide frigorigène.
88
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
Le refroidissement de l'eau du condenseur est alors assuré par un circuit d’eau pulsée, relié à une
petite tour de refroidissement qui peut être installée à une certaine distance de l’armoire de
climatisation et généralement sur le toit ou sur une terrasse (voir figure 4.25). Cet éloignement permet
de réduire dans le local climatisé le bruit qui résulte de la chute de l’eau et de la circulation de l’air dans
la tour de refroidissement.
Figure 4.25 Climatiseur - Armoire à condenseur refroidi par un circuit d‘eau pulsée
On distingue trois types de tour :
♦
la tour ouverte
L’eau est pulvérisée devant un ventilateur et le
refroidissement est alors renforcé par la vaporisation de
cette eau. Après refroidissement, cette eau sera
conduite vers un condenseur à eau se trouvant près du
compresseur.
Figure 4.26 Tour ouverte
89
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
♦
La tour fermée
L’eau venant du condenseur reste à l’intérieur
d’un circuit tubulaire fermé, mais se fait
arroser par un jet d’eau de refroidissement.
Cette eau, s’évaporant partiellement, sera
également fortement refroidie. Mais cette fois
l’eau qui a été au contact de l’air extérieur
n’est plus en contact direct avec le
condenseur à eau évitant des ennuis de
corrosion.
Figure 4.27 Tour fermée
♦
Le dry cooler
Il s’agit d’une tour fermée que l’on n’arrose
pas, que l’on refroidit simplement par l’air
extérieur pulsé par des ventilateurs.
Figure 4.28 Dry cooler ou aérorefroidisseur
90
--------------------LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL
4.4.3 Choix d’un type de condenseur
Quelques critères de choix :
◊ Le rendement des condenseurs à eau est plus élevé que celui des condenseurs à air et
leurs coefficients globaux d’échange thermique sont nettement meilleurs,
◊ A puissance calorifique égale, les condenseurs à eau sont moins encombrants que les
condenseurs à air,
◊ Le débit d’eau de refroidissement est facilement contrôlable,
◊ Les climatiseurs à condenseur à eau sont moins bruyants que les climatiseurs à condenseur
à air.
On a tout particulièrement recours au condenseur à eau dans le cas où les facteurs favorables se
trouvent présents :
◊ Proximité d’un cours d’eau,
◊ Possibilité d’utiliser l’eau d'un forage si elle est disponible en permanence et présente toutes
les garanties quant à la qualité,
◊ Température de l’eau parfaitement compatible avec les conditions de fonctionnement
prévues.
Ce dernier facteur joue un rôle très important dans le choix d’un condenseur, puisqu’il favorise non
seulement le rendement de l’installation, mais également l’amortissement des dépenses tout en
permettant d’augmenter éventuellement la surface d’échange et diminuer l’énergie motrice consommée
grâce à la diminution des frais de pompage.
L’apparition des systèmes séparés a permis une implantation de groupes de condensation complets à
l’extérieur des bâtiments. La conséquence directe est le remplacement des condenseurs à eau par les
condenseurs à air.
Le gros avantage du condenseur à air est la réalisation d’une économie totale de l’eau, et la
suppression des canalisations hydrauliques, d’où l’élimination des problèmes relatifs à l’entartrage des
condenseurs à eau ou à leur corrosion (tour ouverte).
Les condenseurs à air ont une exploitation très économique et un entretien plus facile.
91
LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------
Bibliographie
[1]
ANDREIEFF de NOTBECK G., Manuel du conditionnement d’air, Pyc édition (Tome I à V).
[2]
COSTIC, Guide technique de la climatisation individuelle, nouvelle édition.
[3]
ARCHITECTURE ET CLIMAT, UCL, Climatiser un local, fascicule technique publié par la Région
Wallonne de Belgique, service de l'énergie, 1997, 52p.
[4]
ARCHITECTURE ET CLIMAT, UCL, La régulation des installations frigorifiques en climatisation
des bâtiments, fascicule technique publié par la Région Wallonne de Belgique, service de
l'énergie, 1998.
[5]
IEPF, Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments, Actes de l’atelier Yaoundé 10 mai au 4 juin 1993.
[6]
AIRWELL, Conditionnement d’air, document du constructeur.
[7]
PORCHER G., "Cours de climatisation : base du calcul des installations de climatisation".
[8]
BRUN M., PORCHER G., Conception et calcul des procédés de climatisation.
[9]
ROUBINET M., Le refroidissement par évaporateur thermique et aéraulique, 1970.
[10]
TALLA A., Développement du ventifraîcheur mural, étude théorique du refroidissement par
évaporation d’eau : rapport de recherche ingénierie, EIER, Ouagadougou, 1994.
[11]
HENNE E., Humidification de l’air, Pyc édition.
[12]
JANNOT Y., Un procédé économique pour l’amélioration du confort thermique en zone tropicale
sèche : la ventilation forcée par de l’air extérieur éventuellement humidifié, EIER Ouagadougou,
1993.
92
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
CHAPITRE 5
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.1
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE INSTALLATION DE CLIMATISATION
CENTRALISEE .......................................................................................................................... 95
5.2
PRESENTATION DES SYSTEMES LES PLUS COURANTS ............................................. 96
5.3
LES INSTALLATIONS "TOUT AIR"..................................................................................... 96
5.3.1. Installations "tout air", à un seul conduit, à débit constant .................................................................96
5.3.2 Installations "tout air", à un seul conduit, à débit variable..................................................................99
5.4
LES INSTALLATIONS MIXTES "AIR / EAU"................................................................... 101
5.4.1 Systèmes à éjecto-convecteurs........................................................................................................... 101
5.4.2 Systèmes à ventilo-convecteurs ......................................................................................................... 102
5.5
AUTRES PROCEDES DE CLIMATISATION ..................................................................... 105
5.5.1 Refroidissement des luminaires ........................................................................................................ 105
5.5.2 Volets thermiques ............................................................................................................................. 106
5.5.3 Diffuseurs sources ............................................................................................................................ 106
5.5.4 Plafonds rayonnants froids................................................................................................................ 107
5.5.5 Poutres froides .................................................................................................................................. 109
5.5.6 Plancher rafraîchissant à eau............................................................................................................. 109
5.5.7 Plancher rafraîchissant à fluide frigorigène direct ............................................................................. 109
5.5.8 Armoires de rafraîchissement à convection naturelle ........................................................................ 109
5.5.9 Refroidissement adiabatique.............................................................................................................. 111
5.5.10 Installation de climatisation sans machine frigorifique................................................................... 111
5.5.11 Stockage de froid ............................................................................................................................. 112
5.6
CHOIX D’UNE CENTRALE DE CLIMATISATION .......................................................... 113
5.6.1 Critères de choix d’une centrale de climatisation .............................................................................. 113
5.6.2 Choix du Fluide Frigorigène............................................................................................................. 117
5.6.3 Choix des tuyauteries frigorifiques .................................................................................................... 117
5.6.4 Choix d'une centrale à eau glacée ..................................................................................................... 118
5.6.5 Compresseurs.................................................................................................................................... 121
5.6.6 Condenseurs et tours de refroidissement ........................................................................................... 122
93
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.6.7 Evaporateurs...................................................................................................................................... 122
5.7
LE CIRCUIT AERAULIQUE..................................................................................................123
5.7.1
5.7.2
5.7.3
5.7.4
5.7.5
5.7.6
5.7.7
5.8
Tracé des conduits............................................................................................................................ 123
Choix des conduits ........................................................................................................................... 124
Calcul des pertes de charge .............................................................................................................. 125
Dimensionnement des conduits........................................................................................................ 128
Equipements terminaux (diffuseurs et grilles).................................................................................. 130
Equilibrage ....................................................................................................................................... 130
Choix des ventilateurs ...................................................................................................................... 131
LE CIRCUIT HYDRAULIQUE ..............................................................................................132
5.8.1 Régime de température..................................................................................................................... 132
5.8.2 Configuration du réseau ................................................................................................................... 132
Inconvénients ............................................................................................................................................. 133
5.8.3 Choix des tuyauteries ....................................................................................................................... 133
5.8.4 Dimensions des conduites ................................................................................................................ 134
5.8.5 Régulation hydraulique .................................................................................................................... 135
5.8.6 Pertes de charges .............................................................................................................................. 135
5.8.7 Equilibrage du réseau ....................................................................................................................... 137
5.8.8 Les pompes hydrauliques ................................................................................................................. 137
5.9
ACOUSTIQUE ..........................................................................................................................138
5.10 PROTECTION ET SECURITE INCENDIE..........................................................................138
BIBLIOGRAPHIE...............................................................................................................................140
94
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.1 PRINCIPE
DE
FONCTIONNEMENT
CLIMATISATION CENTRALISEE
D’UNE
INSTALLATION
DE
Une installation de climatisation centralisée est constituée d’un ensemble de matériels ayant les
fonctions suivantes :
◊
Préparation et distribution de l’air à des caractéristiques thermiques, aérauliques et
acoustiques bien définies,
◊
Distribution de l’air traité dans les locaux à climatiser par l’intermédiaires de conduits et
d’appareils terminaux.
Figure 5.1 Constituants d’un système de climatisation
Les fluides primaires (air ou eau) sont préparés dans des équipements centralisés qui peuvent être
placés dans une salle de machine (grosses installations de climatisation).
Les équipements terminaux, toujours situés dans les locaux climatisés ou à proximité immédiate,
reçoivent les fluides (préparés dans les équipements centralisés) et les utilisent pour la préparation de
l’air soufflé dans les locaux.
Entre les équipements centralisés et les équipements terminaux, les fluides primaires et l’air traité sont
distribués par des conduits comportant plusieurs accessoires de fonctionnement (clapets, filtres,
robinets,…)
De plus, les installations sont équipées d’appareils de régulation et de sécurité (thermostat,
pressostats, détecteurs d’incendie, trappe de désenfumage,…)
95
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.2 PRESENTATION DES SYSTEMES LES PLUS COURANTS
On distingue deux grands types d’installations de climatisation centrale :
♦
Installations "tout air"
Lorsqu’une installation utilise uniquement de l’air pour évacuer les calories du local à climatiser,
cette installation est dite du type "tout air" ou à air total. On peut classer les installations "tout air" en
deux grandes familles :
♦
◊
Les installations à débit d’air constant,
◊
Les installations à débit d’air variable.
Installations mixtes "air/eau"
Ce sont des installations où un réseau d’eau est utilisée comme médium pour l’évacuation des
calories prélevées dans les locaux et où un réseau d'air est utilisé pour apporter l'air hygiénique aux
occupants. Si cet air est refroidi, il participe également à évacuer les calories des locaux. Il est alors
en même temps déshumidifié. On distingue deux types principaux d’installations mixtes :
◊
Les installations à éjecto-convecteurs,
◊
Les installations à ventilo-convecteurs.
5.3 LES INSTALLATIONS "TOUT AIR"
Les installations "tout air" peuvent être à un seul conduit ou à deux conduits.
Les installations à deux conduits sont recommandées lorsqu’on a affaire à de nombreux locaux utilisés
de manière très différente (refroidissement, chauffage) avec des exigences climatiques très strictes.
Elles sont donc inappropriées pour les besoins courants de climatisation dans les pays chauds en
développement.
5.3.1. Installations "tout air", à un seul conduit, à débit constant
Ce type d’installation distribue un débit d’air primaire rigoureusement constant, avec seulement la
température et l’humidité qui varient en fonction de charges calorifiques des locaux à climatisation. Ces
systèmes de climatisation distribuent directement l’air primaire froid dans les locaux par l’intermédiaire
des bouches de soufflage. On distinguera :
96
◊
Les centrales de traitement d’air unizone, où la batterie froide est alimentée par de l'eau
glacée produite par un groupe frigorifique,
◊
Les centrales de traitement d’air "à détente directe", où l'évaporateur de la machine
frigorifique est directement placé dans le caisson de traitement d'air.
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.3.1.1 Centrale de Traitement d’air unizone :
La figure 5.2 présente le schéma de principe d’une centrale unizone à débit d’air constant. La
composition de la centrale doit être spécifiée à la commande. Par exemple, pour des besoins de
refroidissement en pays chauds, les batteries de préchauffage, de réchauffage et les batteries chaudes
ne seront pas utiles ; il en est de même pour l’humidificateur qui pourrait quelques fois être utile en
zone chaude et sèche (climat sahélien) et inutile par exemple pour la climatisation de confort dans les
régions chaudes situées en zone côtière.
Les centrales de traitement d’air à débit constant soufflent dans les locaux de l’air à basse vitesse (2 à
6 m/s) et à débit constant compris entre 1000 m³/h et 100 000 m³/h. L’air est généralement distribué par
des bouches de soufflage de type mural ou plafonnier.
Figure 5.2 Centrale à un conduit à débit d’air constant
97
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.3.1.2 Centrale de Toiture à détente directe (Roof-Top) :
Les roof-top sont des centrales unizones à détente directe installées à l’extérieur du bâtiment. La figure
5.3 présente le schéma de principe d’un roof-top.
Les roof-top sont fréquemment utilisés pour les applications suivantes :
◊
Grandes salles de bureaux, salles d’ordinateurs et hall recevant du public,
◊
Climatisation des grands magasins, supermarchés, restaurants, ateliers,…
Ils sont très utilisés en climatisation industrielle.
Le coût énergétique (à l’exploitation) des installations "tout air" à débit constant est très élevé, surtout à
cause de la consommation des ventilateurs.
Figure 5.3 Centrale de toiture (Roof-Top)
98
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.3.2 Installations "tout air", à un seul conduit, à débit variable
Dans un système à débit d’air variable, l’air est soufflé à température constante, mais à un débit-volume
variable. Le système à débit d’air variable est constitué de :
◊
Une centrale de traitement d’air type unizone,
◊
Un réseau de conduits à basse vitesse (2 à 6 m/s) ou à moyenne vitesse (6 à 15 m/s),
◊
Des diffuseurs d’air terminaux permettant une bonne répartition de l’air soufflé. Les
bouches de soufflage doivent être choisies en tenant compte de la plage de débits
possibles.
Figure 5.4 Centrale à débit d’air variable
99
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Pour chaque local ou groupe de locaux, il faut prévoir un régulateur de débit tant au soufflage que sur
la reprise, ces régulateurs étant commandés par un thermostat d’ambiance. Le fonctionnement de
nombreux régulateurs sur le réseau entraîne des variations de pression qui doivent être équilibrées par
une régulation adéquate des ventilateurs. Lorsque les ventilateurs sont du type centrifuge, la régulation
peut se faire soit à vitesse de rotation constante (obturation partielle du circuit avec un registre
ajustable ou un aubage mobile de prérotation), soit à vitesse de rotation variable par utilisation d’un
moteur spécial (meilleure solution).
Les systèmes à débit d’air variable permettent la climatisation de locaux intérieurs dont les charges
varient peu. Ces systèmes sont très intéressants pour la climatisation des bâtiments comportant des
locaux ayant des charges faibles mais variables, car ils permettent une bonne optimisation de la
consommation d’énergie.
En pratique, on peut adapter le débit par réglage d'un clapet : un servomoteur commande la position
d'un clapet en fonction de la température dans le local. Ce clapet est généralement doté d'un système
d'auto-réglage en fonction de la pression (afin de maintenir le débit souhaité malgré les variations de la
pression du réseau). Il est inséré dans une boîte de détente tapissée d'absorbants acoustiques pour
réduire le niveau de bruit. L'air est ensuite réparti vers le local via des diffuseurs.
Figure 5.5 Réglage au niveau des boîtes de détente
Figure 5.6 Réglage au niveau des diffuseurs
Il est également possible de faire varier le débit en agissant directement au niveau des diffuseurs. Le
clapet est cette fois intégré dans le diffuseur. C'est la gaine de pulsion qui joue le rôle de plenum de
distribution. Ici aussi, des absorbants acoustiques sont intégrés dans les parois.
Les diffuseurs utilisés sont spécifiques aux installations à débit d'air variable. En effet, le confort doit
être assuré quel que soit le débit pulsé. Curieusement, le risque d'inconfort apparaît lors des faibles
débits : l'air à faible vitesse ne se mélange pas bien à l'air ambiant (faible induction) et "tombe" sur les
100
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
occupants. Dans ce but, l'air est diffusé tangentiellement au plafond pour bénéficier d'un effet Coanda
dans les deux directions (voir figure 4.12).
5.4 LES INSTALLATIONS MIXTES "AIR / EAU"
D’une manière générale, les installations mixtes présentent une meilleure souplesse de fonctionnement
et un niveau de confort élevé. Ils sont plus économiques à l'exploitation que les systèmes "tout air" car
le transfert du froid se fait par l'eau (pompe) et non par l'air (ventilateur).
5.4.1 Systèmes à éjecto-convecteurs
Généralement utilisés en allège de fenêtre dans les locaux périphériques d’un bâtiment, les éjectoconvecteurs sont des équipements terminaux exclusivement alimentés par de l’air neuf préparé dans
une centrale de traitement d’air. L’air primaire provenant de la centrale est pulsé, à pression élevée
(100 à 400 Pa) et à vitesse élevée (15 à 25 m/s), dans le caisson de l’éjecto-convecteur. Il y a alors
formation de jets libres qui, par effet d’induction, aspirent dans l’appareil de l’air ambiant qui se mélange
à l’air primaire. L’air mélangé refroidi est alors soufflé dans le local à débit constant mais à température
variable.
Figure 5.7 Fonctionnement d‘un éjecto-convecteur
Figure 5.8 Vue d‘un éjecto-convecteur
Les centrales à éjecto-convecteurs, pratiquement inexistantes dans les pays chauds en
développement, sont utilisées pour la climatisation de bâtiments comportant des zones périphériques
importantes et à forte proportion de surfaces vitrées (immeubles-tours,..).
101
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Leur manque de souplesse à l'installation (nécessité de raccorder la gaine d'air primaire à chaque
appareil) et en fonctionnement (nécessité de pulser en permanence de l'air primaire à débit élevé) les
défavorisent par rapport à leurs "concurrents" : les ventilo-convecteurs.
5.4.2 Systèmes à ventilo-convecteurs
Dans ce système, un réseau de tuyauteries distribue de l’eau glacée dans une batterie incorporée à un
équipement terminal appelé ventilo-convecteur (voir figure 5.9) qu’on installe dans le local à climatiser.
Un ventilateur incorporé au ventilo-convecteur permet de souffler dans le local de l’air repris ou de l’air
mélangé. Le ventilo-convecteur peut fonctionner soit en air recyclé intégral, soit en assurant un
renouvellement d’air grâce une prise d’air neuf situé à l’arrière de l’appareil.
Figure 5.9 Climatisation par ventilo - convecteur
102
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Figure 5.10 Fonctionnement d‘un ventilo convecteur
Figure 5.11 Vue d‘un ventilo - convecteur
Le système de climatisation par ventilo-convecteurs est de très loin le système le plus utilisé en
climatisation centrale. Le principal avantage du ventilo-convecteur est lié au fait qu’il soit possible
d’isoler une pièce inoccupée (ex. chambre d’hôtel) et de pouvoir très rapidement la remettre en
température. L’installation à ventilo-convecteurs est nettement moins onéreuse qu’une installation à
éjecto-convecteurs.
Figure 5.12 Différents modes d'alimentation en air neuf d‘un ventilo – convecteur
103
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Figure 5.13 Ventilo-convecteur monté en faux-plafond
figure 5.14 Intégration dans une chambre d‘hôtel
104
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.5 AUTRES PROCEDES DE CLIMATISATION
Différents systèmes permettent simplement de réduire les charges calorifiques intérieures sans
toutefois assurer la climatisation totale du local. Ils sont généralement utilisés en association avec
d’autres systèmes de climatisation.
5.5.1 Refroidissement des luminaires
Cette technique utilise deux appareils spéciaux :
◊
Tubes en forme de serpentin lié au luminaire par un diffuseur,
◊
Chambre d’eau entourant le luminaire.
Avec ce procédé, environ 70 % de la chaleur totale dissipée par les luminaires est évacuée par l’eau
non refroidie qui s’échauffe d’environ 5 °C. La figure 5.15 présente un schéma de ce procédé.
Figure 5.15 Réseau de refroidissement (par eau) de luminaires
105
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Figure 5.16 Refroidissement de luminaires par eau pulsée
5.5.2 Volets thermiques
Le dispositif consiste en une simple circulation d’eau dans des volets thermiques, ce qui permet d’éviter
le rayonnement chaud des vitrages.
5.5.3 Diffuseurs sources
Les diffuseurs sources (encore appelés "bouches à déplacement") sont utilisés exclusivement pour le
refroidissement de locaux. C’est un dispositif permettant de souffler l’air à faible vitesse, avec un faible
écart de température (1 à 3 K), ce qui permet de réduire les phénomènes de turbulences qu’on
rencontre dans les systèmes classiques de climatisation.
Dans ce système, l’air soufflé (entre 10 et 30 cm du sol) se répand tout d’abord à la surface du
plancher, et s’élève ensuite (par absorption de la chaleur du local) en déplaçant l’air pollué vers le
plafond comme s’il était poussé par un piston. La figure 5.17 présente ce procédé. Avec ce dispositif,
l’air non pollué se retrouve dans la zone de séjour, et l’air chaud et les polluants se retrouvent en partie
haute. L’air pollué est donc repris en partie haute, généralement au-dessus d’un plafond rafraîchissant
suspendu ou par l’intermédiaire de luminaires de reprise. Ce dispositif tire donc profit de l’effet
ascensionnel de l’air chaud.
106
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Figure 5.17 Circulation de l’air par diffuseurs source (à gauche)
comparé à un système traditionnel (à droite)
Les charges que l’on peut évacuer par diffuseurs sources étant faibles à cause du faible écart de
température sur l’air, dans la pratique, ce dispositif sera complété par d’autres systèmes, par exemple
les plafonds rafraîchissants.
5.5.4 Plafonds rayonnants froids
Le procédé consiste à refroidir le local en faisant circuler de l’eau froide dans des tubes enrobés en
dalle pleine :
◊
Les dalles de plancher haut (dans bâtiment en étage, coulage du tube à eau en partie
basse du plancher haut),
◊
Les nattes de tubes capillaires (utilisation de nombreux tubes de polypropylène de petit
diamètre (2.3 mm) et d’épaisseur 0.5 mm placés les uns à côté des autres, formant ainsi
une natte, l’ensemble étant fixé en sous-dalle du plancher haut).
ou dans des serpentins incorporés en faux-plafond :
◊
Les tubes à ailettes en faux plafond (faux plafond en claire-voie à l’intérieur duquel on place
des tubes à ailettes dans lesquels circule de l’eau froide).
107
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
La figure 5.18 présente le principe de climatisation d’un local par plafond rafraîchissant et ventiloconvecteur. Le principal inconvénient de ce procédé est le risque de condensation de l’humidité à
l’intérieur du local. Le procédé impose donc un contrôle très précis de l’écart entre la température de
l’eau et la température de rosée du local à rafraîchir.
Figure 5.18 Climatisation par plafonds rafraîchissants
108
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.5.5 Poutres froides
Dans la catégorie des poutres froides, on distingue :
◊ Les poutres à convection naturelle (carter en
tôle, dans lequel se trouve des tubes à ailettes
formant la batterie froide), fixés à la sous-face
du plancher haut.
Figure 5.19 Poutre froide à convection naturelle
◊
Les poutres froides à induction sont
semblables à la poutre à convection mais,
au lieu d’une circulation naturelle de l’air
ambiant, on utilise de l’air prétraité en
centrale distribué par induction.
Figure 5.20 Poutre froide à induction
Les mêmes précautions sont à prendre au niveau du risque de condensation, dans la mesure où ici
encore, la récupération des condensats n'est pas possible.
5.5.6 Plancher rafraîchissant à eau
C’est un système de refroidissement par le plancher. Ce système est très demandé car il n’est ni
encombrant ni bruyant. Cependant, on doit faire attention aux risques de condensation. Par ailleurs, la
mise en régime est lente à cause de l’inertie du plancher.
5.5.7 Plancher rafraîchissant à fluide frigorigène direct
Système à coût d’investissement réduit à cause de l’absence d’équipement hydraulique. Cependant,
des précautions doivent être prises pour l'étanchéité du réseau et pour le traitement de l’air neuf.
5.5.8 Armoires de rafraîchissement à convection naturelle
109
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Le système est constitué d’un dispositif de circulation de l’air par thermosiphon c’est-à-dire par
convection naturelle, avec une batterie de rafraîchissement logée à l’arrière de l’armoire (voir figure
5.21)
Ce système qui fonctionne sans ventilateur présente les avantages suivants : faible investissement,
consommation énergique faible et grand confort acoustique. Le soufflage de l’air peut s’effectuer soit
par des grilles situées en partie basse des placards, soit par des diffuseurs de sol (l’air circulant dans
un faux-plancher). Les puissances frigorifiques sont cependant limitées et le système est rigide puisque
la configuration du local ne peut être modifiée.
Figure 5.21 Armoire de rafraîchissement
110
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.5.9 Refroidissement adiabatique
Lorsqu’on humidifie de l’air avec de l’eau, l’air subit un refroidissement à enthalpie presque constante,
d’où l’appellation « refroidissement adiabatique ».
Mais en procédant comme ci-dessus, on risque d’atteindre des taux d’humidité élevés, source
d’inconfort en climatisation.
Pour éviter d’humidifier l’air soufflé, on peut humidifier plutôt l’air repris et récupérer le froid qui sera
transférée à l’air neuf grâce à un échangeur.
On peut aussi atteindre des températures de soufflage encore plus basses en utilisant simplement un
échangeur à plaques sur lequel on pulvérise de l’eau.
Figure 5.22 Echangeur de chaleur avec refroidissement adiabatique
Le refroidissement adiabatique peut être complété par un système de refroidissement classique, ce qui
permet de réduire la puissance frigorifique installée d’environ 50%.
5.5.10 Installation de climatisation sans machine frigorifique
Il s’agit d’un système associant le refroidissement adiabatique et la déshumidification de l’air par
adsorption. Ce système de refroidissement est souvent appelé « procédé DEC » (Dessicative and
Evaporative Cooling » car le refroidissement de l’air neuf s’effectue par déshumidification (dans un
regénérateur à sorption) puis réhumidification par évaporation (dans un humidificateur). Ce système est
bien adapté aux cas où l’écart de température de soufflage est faible (diffuseur-source, diffuseurs de
plancher).
111
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.5.11 Stockage de froid
Actuellement, seules les centrales de climatisation à eau glacée permettent l’utilisation du stockage
froid. Ce dispositif permet d’effacer les pointes de fonctionnement, ce qui permet de réduire la
puissance du groupe, ainsi que la puissance souscrite, tout en profitant du tarif heures creuses.
Il existe deux procédés :
◊
Le stockage d’eau froide par chaleur sensible (solution pas intéressante)
◊
Le stockage de glace (solution très utilisée car moins volumineuse)
Dans le cas du stockage par glace, cette dernière se forme soit à l’extérieur des tubes, soit à l’intérieur
des tubes, soit dans des nodules eutectiques.
Figure 5.23 Stockage de glace sur tubes
Figure 5.24 Stockage de glace par nodules
Le stockage de froid par chaleur latente pourrait représenter une alternative très intéressante pour des
actions d’économie d’énergie dans les pays chauds en développement. Malheureusement, dans
plusieurs pays d’Afrique sub-saharienne la tarification d’électricité ne prévoit pas de tarif heures
creuses. Par ailleurs dans ces pays, la différence de coût entre les tarifs heures de pointe et heures
pleines n’est pas suffisamment importante pour justifier la mise en place d’un dispositif de stockage qui
doit généralement être amorti en trois ou quatre ans.
112
-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.6 CHOIX D’UNE CENTRALE DE CLIMATISATION
5.6.1 Critères de choix d’une centrale de climatisation
Il existe une très grande variété d’installations de climatisation. Les Tableaux 5.1, 5.2 et 5.3 présentent
des grilles indicatives permettant l’appréciation grossière de quelques systèmes existants.
Destinations
Locaux indépendants
Plusieurs locaux avec régulation individuelle de température
Plusieurs locaux sans régulation individuelle de température
Locaux spacieux faiblement
fréquentés
Locaux spacieux fortement
fréquentés
Locaux où sont exposées des
7substances irritantes
Applications
Unité Autonome
à eau
Split
system
Climati
-seurs
gainés
autonomes
Ventilo
Convect.
Ventilo
Convect.
gainés
oui
Faux
plafond
oui
non
non
split
cassette
2/3 unités
interne
oui
Armoire
Non
gainée
oui
gainable
gainé
non
non
1 unité
interne
oui (1)
oui
non
non
non
oui (1)
non
non
oui
non
non
oui
oui
non
non
oui
oui
non
oui
non
non
oui
oui
oui
oui
oui
non
oui
non
non
non
non
non
non
non
non
oui
non
non
non
non
non
non
non
non
oui
Split
system
split
cassette
Climati
-seurs
gainés
autonomes
Ventilo
Convect.
Ventilo
Convect.
gainés
Unité Autonome
à eau
Résidentielles
oui
oui
oui
non
non
non
oui
non
non
Hôtels et résidences
oui
oui
non
oui (1)
oui (1)
non
non
oui
oui (2)
Bureaux
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
Etudes professionnelles
oui
oui
oui
non
non
non
oui
non
non
Supermarchés / centres
commerciaux
Boutiques / magasins
Non
non
non
oui
oui
oui
non
non
oui
Oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
non
oui
Petits restaurants
Oui
oui
oui
oui
oui
oui
oui
non
oui
Moyens / grands restaurants
Non
non
oui
oui
oui
oui
non
non
oui
Discothèques / boîtes de nuit
Non
non
non
non
non
non
non
non
oui
Banques / bureaux de poste
Non
non
non
oui
oui
oui
oui
non
oui
(1) : vastes pièces seulement
(2) : salles publiques seulement : halls, restaurants…
Tableau 5.1 Destinations et applications des différents types d’installations [8]
113
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
1 conduit avec réchauffage
décentralisé A + W
Volume d’Air Variable AS
Plafond / mur
2 conduits AS
Plafond
Ejecto-convecteurs A+W
Ejecto-convecteurs A + W
Plafond
Tangentiel sous
fenêtres
Plafond
1 conduit AS
Diffuseurs à pulsion
giratoire de sol
1 conduit AS
Moquette
Installation à
Diffuseurs sources
Diffuseurs sources et
Plafonds rafraîchissants
Diffuseurs sources
et Ejecto-convecteurs
Paroi intérieure
Critères : +
0
-
=
=
=
Paroi intérieure
Laminaire
Fenêtre
Laminaire
-
-
0
0
-
-
+
+
-
0
-
+
0
0
0
-
0
+
-
0
-
+
-
0
0
+
0
+
+
0
-
+
0
0
0
-
-
+
+
0
+
+
0
0
+
+
+
+
-
0
-
0
0
0
0
+
0
+
+
0
-
-
+
0
-
0
-
+
+
0
-
-
+
0
-
0
-
0
-
0
-
-
++
++
-
+
+
+
-
0
-
-
++
++
-
+
0
+
0
0
+
+
++
++
+
+
+
Apparition de
courants d’air
0
Utilisation de
l’air
-
Différences
de charges
+
Chauffage
statique
Coût d’inves
tissement
Plafond / mur
fonctionement
Coût de
l’énergie
1 conduit centralisé AS
Charge
humide
Soufflage
de l’air
Pertes de
chaleur
(AS = Air Seul
A + W = Air + Eau)
Apports
de chaleur
Type d’installation
Frais de
Confort
Régulation
individuelle
Couverture des charges
bonne solution
solution moyenne
mauvaise solution
Tableau 5.2 Appréciation de différents systèmes de climatisation [3]
D’une manière générale, on peut faire les remarques suivantes :
114
◊
Les installations à un seul conduit dans lesquels le soufflage de l’air se fait de bas en haut
sont les plus onéreuses,
◊
Les systèmes air/eau sont très intéressants tant sur le plan exécution qu’en ce qui
concerne les coûts de l’énergie consommée. Ils sont d’ailleurs les seuls à être utilisés dans
le cas des immeubles de grande hauteur,
◊
Les installations "tout air" à débit d’air variable sont intéressantes lorsqu’elles sont bien
conçues pour une exploitation où l’on a des débits volumes réduits pendant une grande
partie de l’année.
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Aucun système n’est capable de répondre à tous les cas posés. Chaque projet doit faire l’objet d’une
étude spécifique prenant en compte les différents critères parmi lesquels on peut citer : les contraintes
de construction, le service à rendre à l’usager, l’enveloppe financière pour la construction et
l’exploitation, la qualité de l’ambiance et le respect de l’efficacité énergétique.
Systemes de climatisation
Destination
Petits bureaux commerciaux
Split
Armoires
x
x
Roof-top
Grandes banques
Hall d’aéroport petites salles à
dégagement de chaleur (telecom...)
Grands restaurants, cinémas, salle de
vente, commerce, supermarchés
x
x
x
x
Grands hôtels
Climatisation industrielle ateliers
x
Centrale à eau
glacée à ventiloconvecteur
Volume
réfrigé-rable
variable
x
x
x
x
x
Tableau 5.3 Destinations courantes des différents systèmes de climatisation
En visitant les installations actuellement en service dans les pays africains, on retrouve souvent les
configurations suivantes :
◊
Pour les bâtiments commerciaux : splits dans les bureaux et armoires ou roof-top dans les
grandes salles (ex : banques moyennes : splits pour bureaux, armoires ou roof-top dans les
guichets clients. bâtiments commerciaux : splits dans les bureaux, armoires ou roof-top
dans les salles d’exposition / vente de matériel),
◊
De nombreux hôtels et immeubles de bureaux optent pour la solution window ou split en
l’intégrant plus ou moins harmonieusement à l’architecture du bâtiment. Cette solution est
mauvaise tant sur le plan esthétique qu’énergétique,
◊
Les centrales à eau glacée à ventilo-convecteurs sont les systèmes de loin les plus utilisés
dans les grands hôtels des métropoles africaines,
◊
Les systèmes à « Débit Réfrigérant Variable » (DRV) actuellement diffusées par de
nombreux constructeurs dont Daikin (marque VRV) et Mitsubishi (marque VRF), bien
qu’environ 50 % plus onéreux à l’investissement que les centrales à eau glacée, semblent
s’imposer de plus en plus pour la climatisation d’immeubles de bureaux et dans les grandes
banques,
◊
Dans certains petits supermarchés, on trouve en parallèle plusieurs armoires à
condensation par eau (recyclées dans une seule tour de refroidissement), chaque armoire
115
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
étant associée à un réseau de gaines indépendant comportant des diffuseurs circulaires en
soufflage avec des reprises s’effectuant directement sur les armoires.
Le choix d’une climatisation centrale n’est pas un acte isolé. Il fait partie d’un processus dont les
phases successives sont présentées dans la figure 5.25
1. Décision de traiter l‘ambiance
Analyse des besoins
2. Conception
Caractéristiques des éléments
Evaluation des consommations
Estimation des coûts Investissements
Exploitation
3. Montage de l‘opération
Cahier des charges
Clauses techniques
Appel d‘offres
Modalités des contrôles
Montage financier
4. Réalisation de l‘installation
Réception de l‘installation
Mise au point
Contrôles
Suivi financier du chantier
5. Exploitation - Optimisation
Surveillance de la qualité du traitement et
de la productivité
Surveillance des performances du
matériel
Suivi des résultats
Ambiances
Consommations
Suivi financier de l‘installation
Figure 5.25 Courbe de vie d’un projet de climatisation
116
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.6.2 Choix du Fluide Frigorigène
Le R22 reste le fluide le plus largement utilisé dans les systèmes de climatisation actuels. Ce fluide est
bien connu par les praticiens frigoristes, il ne coûte pas cher et il est disponible localement en grande
quantité. Dans le cadre du protocole de Montréal sur la protection de la couche d’ozone, l’interdiction
de sa production est prévue dans une vingtaine d’années. A court terme, l’utilisation de ce fluide dans
les installations de climatisation est encore admis, mais il faut être attentif aux évolutions dans ce
domaine.
Des fluides de remplacement du R22 sont déjà commercialisés, mais leurs prix sont encore élevés. En
plus, ils ne sont pas disponibles sur les marchés locaux et leur fiabilité à long terme n’est pas encore
prouvée. Aussi, au lieu de rechercher à remplacer le R22 dans les installations actuelles, il est
préférable de renforcer l’étanchéité des systèmes (par exemple en utilisant de préférence des liaisons
soudées).
Le NH3 (ammoniac) est un fluide pas cher et ayant de très bonnes caractéristiques thermophysiques
tant sur le plan frigorifique que sur le plan énergétique ; en matière d’environnement, son Potentiel de
Destruction de la couche d’Ozone (ODP) et son Potentiel d’Echauffement de la Planète (GWP) sont
nuls. Son utilisation doit être encouragée dans les systèmes à refroidissement indirect (cas des
centrales à eau glacée). Malheureusement, la pratique du NH3 est mal connue en Afrique, ce qui
augmente les risques d’accidents au cas où les installations sont suivies par des techniciens non
qualifiés.
Les hydrocarbures représentent une belle opportunité pour les pays en développement car ils peuvent
être produits localement, d’où un coût d’achat plus faible. Sur le plan environnemental, ils sont meilleurs
que les fluides chlorofluorés (R22…), mais moins efficaces que l’ammoniac. Leur utilisation pour des
installations domestiques et commerciales pourrait être encouragée à conditions de bien former les
techniciens à la pratique de ces fluides. Cependant, au stade actuel des pratiques et des Normes
internationales en vigueur, le R22 et le NH3 restent préférables pour une installation de climatisation
centralisée.
5.6.3 Choix des tuyauteries frigorifiques
Dans l’industrie frigorifique, on utilise deux types de tuyauteries qui sont les tubes cuivres et acier.
◊
Le tube cuivre est utilisé seulement pour les fluides halogénés,
◊
Le tube acier est utilisé pour l’ammoniac et pour remplacer le cuivre lorsque les diamètres
des longueurs importantes occasionnent des coûts trop élevés. On utilise les aciers non
alliés et des aciers alliés au nickel.
Pour le dimensionnement des tuyauteries, on a le choix entre la méthode de la vitesse et la méthode
des abaques.
117
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
♦
Méthode de la vitesse
Il faut connaître :
◊
Le débit volumique de fluide frigorigène dans la conduite.
On se fixe une vitesse de circulation du fluide frigorigène (aspiration, refoulement et liquide). Les
plages de vitesses de circulation sont en général connues.
♦
Méthode des abaques
On utilise les abaques des constructeurs. Il faut connaître :
◊
La puissance frigorifique,
◊
La température d’évaporation et de condensation,
◊
La température en amont du détendeur,
◊
La surchauffe des vapeurs aspirées et le sous refroidissement du liquide.
5.6.4 Choix d'une centrale à eau glacée
Le groupe frigorifique est généralement prémonté et précâblé en usine. Cependant, la grande variété
de matériels proposés par les constructeurs impose un minimum de connaissances techniques pour un
choix adéquat. Nous fournissons ci-dessous, de manière très sommaire, quelques éléments
d’appréciation, permettant d’effectuer des choix technologiques adaptés aux pays chauds en
développement.
5.6.4.1 Définition
Les groupes à eau glacée sont généralement définis par :
◊
La température d’eau glacée aller et retour,
◊
La température des médiums de refroidissement du condenseur (air extérieur, eau à
l’entrée et à la sortie du condenseur,…),
◊
La puissance frigorifique brute (requise par l’installation) qui tient compte de la puissance
de pompage de l’eau froide,
◊
La puissance utile qui est celle des besoins des équipements terminaux,
◊
Les apports thermiques par les tuyauteries aller et retour et les réservoirs calorifugés.
P (brute) = P (utile) + P (pompage) + Apports Thermiques
118
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Lors de l’avant-projet, la puissance de pompage de l’eau froide et les apports thermiques ne sont pas
connus ; en général, on majore P(utile) d’environ 5 % pour en tenir compte. Lors du projet final, les
deux postes doivent être recalculés.
A air
Multitubulaire à eau
Aéroréfrigérant
A plaques
Condenseur
8 à 12 °C
6 à 8 °C
15 à 17 °C
4 à 6 °C
Evaporateur
4 à 6 °C
2 à 6 °C
2 à 4 °C
Tableau 5.5 Ecarts de températures pour le calcul des échangeurs
5.6.4.2 Choix technologiques
Le tableau 5.4 présente les technologies les plus courantes en fonction de la puissance de la
centrale.
Puissance
Compresseur
Evaporateur
Condenseur
Coaxial
A plaques
A air
Multitubulaires
A air
A plaques
Inférieure à 50 kW
Spirales (35 kW maxi)
Pistons
Coaxial
A plaques
De 50 kW à 1000 kW
Pistons
Vis
Multitubulaire noyé
A détente sèche
A plaques
De 1000 kW à 4000 kW
Vis
Centrifuge
Multitubulaire noyé
Multitubulaires
A air
Au-dessus de 4000 kW
Centrifuge
Multitubulaire noyé
Multitubulaires
A air
Tableau 5.4 Technologies utilisées dans l’assemblage des Groupes
5.6.4.3 Critères économiques
Il est important de réduire toutes les consommations de fluides et d’énergie nécessaires au
fonctionnement de la centrale :
♦
Economie d’eau
Tant que possible, utiliser les condenseurs à air ou les réfrigérants atmosphériques.
119
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
♦
Energie électrique
Rechercher un bon coefficient de performance des compresseurs, bien dimensionner les
échangeurs et les auxiliaires pour un meilleur coefficient de performance du système.
♦
Bilan
Tant que possible, effectuer un comparatif technico-économique entre Groupe à air et Groupe à
eau glacée, avec condenseur à air ou à eau.
♦
Maintenance
En tenir compte dès la conception de l’installation.
5.6.4.4 Spécifications à fournir pour l’achat du Groupe
Pour éviter des surprises lors du montage et de la mise en route du Groupe, les informations suivantes
doivent être connues dès la commande : lieu géographique d’installation, moyens d’accès au site,
puissance frigorifique maximale brute, puissance frigorifique minimale requise, durée annuelle
d’utilisation, nature du liquide à refroidir, débits maxi et min du liquide à refroidir, températures entrée et
sortie du liquide et variations éventuelles, caractéristiques des fluides de refroidissement (air :
températures extérieures maxi et mini, Humidités Relatives extérieures maxi et mini, température
humide extérieure, eau : nature, composition, températures maxi et mini,), nature du courant électrique,
puissance électrique appelée nominale au démarrage et à charge réduite, type de démarrage, modes
de régulations, régime du neutre, encombrements et poids des groupes, conditions de livraison,
moyens de manutention, nature et masse de fluide frigorigène dans l’installation, caractéristiques de
l’huile, volumes d’eau dans l’évaporateur et dans le condenseur, pertes de charges à l’évaporateur et
au condenseur, distances à respecter pour l’implantation du Groupe et des accessoires hydrauliques,
niveau sonore des différents constituants, …
Les catalogues constructeurs proposent des ensembles complets construits et testés en usine. Ces
ensembles sont constitués d’un ou plusieurs compresseurs, un condenseur à air ou à eau recyclée, un
détendeur, un évaporateur et tous les accessoires frigorifiques y compris le coffret électrique de
commande. Les croquis ci-dessous présentent les groupes à condensation par air (figure 5.26) ou par
eau (figure 5.27). Lors de l’achat du groupe, pour des raisons de souplesse d’exploitation, il est
souvent préférable de fractionner la puissance totale requise sur plusieurs groupes identiques (en
général deux ou trois) qui seront montés en parallèle sur le réseau d’eau glacée.
120
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Figure 5.26 Groupe de condensation par air
Figure 5.27 Groupe de condensation par eau
5.6.5 Compresseurs
Les centrales à eau glacée de grandes puissances (hôtels, banques,…) installées en Afrique sont
généralement équipées de compresseurs à piston de type ouvert ou de compresseurs centrifuges. Ces
technologies ont fait leurs preuves sur de nombreuses installations qui fonctionnent depuis plus de
vingt ans.
Figure 5.28 Compresseur à pistons
Figure 5.29 Compresseur centrifuge
Les compresseurs à vis, bien que très performants, ont été utilisés sur quelques installations très
récentes qui malheureusement sont à l’arrêt aujourd’hui, faute d'une maintenance adéquate (grande
sensibilité à la présence d'huile par exemple). Donc en ce qui concerne les compresseurs pour les
centrales de climatisation, nous suggérons :
121
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
◊
Soit le choix des technologies rustiques (compresseurs centrifuges ou alternatifs à pistons),
◊
Soit des compresseurs à vis en demandant toujours au fabriquant de les tester à l’usine et
en prévoyant une formation du personnel d'exploitation.
Remarque :
Lorsqu’on parle des compresseurs BP, MP et HP. Il s’agit de compresseur fonctionnant à des
pressions d’évaporation dont la température de vapeur saturante est de :
◊
Pour les compresseurs Basse Pression (BP) :
◊
Pour les compresseurs Moyenne Pression (MP) : -15 à -5°C,
◊
Pour les compresseurs Haute Pression (HP) :
-40 à -15°C,
-5 à +10°C.
5.6.6 Condenseurs et tours de refroidissement
Les centrales à eau glacée sont généralement équipées de condenseurs évaporatifs ou de
condenseurs à eau recyclée dans une tour de refroidissement. Certaines installations comportent deux
tours de refroidissement montées en parallèle, chacune des tours pouvant assurer les deux tiers de la
charge calorifique à évacuer par l’installation. Une telle disposition facilite les opérations de
maintenance. Par ailleurs, on constate que les condenseurs évaporatifs sont très efficaces pour les
zones humides (régions côtières), tandis que les tours de refroidissement fonctionnent mieux dans les
régions chaudes et sèches (zone sahélienne). L’entretien des tours de refroidissement et le détartrage
du condenseur multitubulaire représentent une préoccupation permanente pour les exploitants de ces
unités, tout particulièrement pour les tours ouvertes qu'il est recommandé d’éviter.
♦
Emplacement
Le technicien veillera à ce que la tour soient placée à l'ombre et dans une zone bien aérée afin
d’éviter le recyclage d’air chaud.
5.6.7 Evaporateurs
Ils sont généralement du type multitubulaires à eau, reliés à des pompes à eau glacée alimentant les
caissons de traitement d’air et le ventilo-convecteurs. Les principaux problèmes d’exploitation
rencontrés sur les boucles frigorifiques comportant les évaporateurs multitubulaires sont les suivants :
122
◊
Mauvais contrôle de la température d’eau glacée et du calorifugeage des tuyauteries d’eau
glacée (coquilles de polystyrène pour les gros diamètres, armaflex pour les petits
diamètres) généralement insuffisant, ce qui entraîne des écoulements de condensats qui
affectent les plafonds en contre-plaqué ou parfois en staff
◊
Corrosion provoquant des piqûres sur le circuit d’eau glacée (fuites, déséquilibrage des
circuits,…)
◊
Entartrage des tuyauteries d’eau glacée (mauvaise alimentation des ventilo-convecteurs)
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Figure 5.30 Condenseur à air
Figure 5.31 Tour de refroidissement
5.7 LE CIRCUIT AERAULIQUE
5.7.1 Tracé des conduits
En climatisation centralisée, il existe en général trois types de gaines technique : une gaine de
soufflage, une gaine de reprise et gaine d’extraction sanitaire. Le faux-plafond servira au cheminement
horizontal des gaines et à la mise en place des équipements terminaux. Seul l’air à extraire par les
sanitaires transitera sous les portes vers les circulations.
5.7.1.1 Tracé unifilaire
Les points de passage clés des circuits doivent être définis avec l’Architecte. Il s’agit des points
suivants : emplacement de la prise d’air neuf, emplacement des rejets d’air vicié, emplacement de la
centrale de traitement, implantation des diffuseurs et des bouches de reprise. Les points de passage
étant définis, on dessinera un schéma unifilaire (si possible en perspective) sur lequel chaque tronçon
et chaque singularité seront repérés. On y reportera les valeurs maximales des débits, les températures
correspondantes, les vitesses et les dimensions des conduits. On notera tous les points délicats pour
lesquels il faudrait une étude détaillée des pièces de raccordement. Tant que possible, les conduits
principaux chemineront parallèlement aux poutres maîtresses du bâtiment, les branches étant de
préférence perpendiculaires.
5.7.1.2 Dessin du réseau
Le réseau sera tracé à partir du schéma unifilaire. On prendra soin d’éviter les turbulences dans le
réseau. Chaque pièce du circuit sera définie et numérotée, et conservera son numéro jusqu’au
montage. Un local technique sera prévu. On veillera à l’accessibilité des registres de réglage de débit,
123
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
des clapets coupe-feu, des équipements terminaux, des trappes de visites et de nettoyage des gaines.
On pensera aussi à l’évacuation des condensats des batteries froides.
5.7.2 Choix des conduits
Les conduits seront généralement rectangulaires ou circulaires. On distingue :
◊
Les conduits maçonnés (en staff), section souvent rectangulaire,
◊
Les conduits en tôles d’acier ou d’alliages légers rigides, de section circulaire ou
rectangulaire,
◊
Les conduits métalliques souples (section souvent circulaire),
◊
Les conduits constitués de panneaux isolants (section rectangulaire),
◊
Les conduits textiles,
◊
Les conduits plastiques,
◊
Les panneaux de fibre de verre,
◊
Le contre-plaqué.
Pour choisir un type de conduit, on tiendra compte de son encombrement et des coûts d’installation et
d’exploitation, mais aussi de l'environnement climatique.
En Afrique, les gaines sont généralement réalisées en staff, matériau à faible coût et disponible
localement. La réalisation, toutes fournitures comprises, des gaines en staff coûte, selon les pays, entre
8 000 et 15 000 F CFA TTC le m² (prix Juin 2000). Qu’elles soient en staff ou en tôles, les gaines ne
sont pratiquement jamais nettoyées (décontamination,…). Dans certains réseaux réalisés avec des
gaines en tôles importées, on rencontre quelques fois des accessoires d’équilibrage et de sécurité
(clapets coupe-feu,…), ce qui n’est pas souvent le cas pour des installations locales réalisées en staff.
Les dispositifs d’équilibrage et de sécurité sont d’ailleurs parfois démontés par des sociétés d’entretien
non qualifiées qui estiment que ces constituants encombrent le réseau…
♦
Climat tropical humide
Les gaines en tôle doivent être utilisées, plus spécialement la tôle galvanisée, car elle possède une
bonne tenue à la corrosion. Ces gaines doivent être isolées pour éviter des risques de
condensation. Cette isolation peut être faite avec 50 mm de laine de verre pour les gaines de
soufflage et 25 mm pour les gaines de reprises ; l’isolant doit comporter une couche d’étanchéité
sur sa face extérieure (aluminium, Néoprène, polyvinyle, etc.) jouant le rôle d’écran pare vapeur.
Les gaines en contre-plaqué peuvent être utilisées à condition de le choisir en qualité marine. Il est
fortement recommandé de les isoler pour éviter les phénomènes de condensation. L’emploi des
gaines en contre-plaqué est peu fréquent et réservé surtout aux gaines de faible section et de
petite longueur pour des raisons de coûts par rapport aux gaines en tôle de dimensions identiques.
124
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Les panneaux préfabriqués de fibre de verre ou laine de verre rigide sont fortement déconseillés
pour le réseau aéraulique en climat tropical humide car ils se détériorent après quelques années (3
à 5 ans) suite à l’humidification de la laine (humidité relative de l’air trop élevée 80 à 100%).
♦
Climat sahélien
L’emploi des gaines en tôle et les panneaux de fibre de verre et contre-plaqué conviennent avec
l’environnement climatique. Les pertes de charge sont importantes avec les fibres de verre ; mais
elles ont l’avantage de ne pas générer des bruits (isolation acoustique).
5.7.3 Calcul des pertes de charge
On distingue deux types de pertes de charges :
◊ Les pertes de charges linéaires,
◊ Les pertes de charges singulières.
5.7.3.1 Pertes de charges linéaires
Elles sont uniformément réparties le long des conduits rectilignes
◊ Conduits lisses de section circulaire :
Perte de charge ∆ Pl : ∆ Pl = j . L
•
j : perte de charge unitaire (en Pa/m)
•
L : longueur du conduit (en m)
La perte de charge unitaire j est obtenue sur le diagramme des pertes de charges (voir figure 5.32 à la
page suivante).
◊ Conduits métalliques lisses de section rectangulaire :
Le diamètre équivalent d’un conduit rectangulaire correspond au diamètre du conduit circulaire de
même rugosité qui engendre la même perte de charge pour un débit volume identique.
Diamètre équivalent : φe = 1.265 [ a³. b³ / (a + b)]º·²
5.7.3.2 Pertes de charges singulières
Ce sont les pertes de charges dans les autres parties du circuit en dehors des parties rectilignes.
∆ Ps = ( ζ . ρ . V ²) / ( 2 . j)
125
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
•
ρ : masse volumique de l’air (en kg / m³),
•
V : vitesse de l’air (en m / s),
•
ζ : coefficient de pertes de charges.
Le tableau 5.6 (voir plus loin) fournit les valeurs de ζ pour quelques singularités fréquentes.
Figure 5.32 Pertes de charge pour l’air dans les conduits métalliques
circulaires pour une température de 20°C (source: "COSTIC")
126
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Tableau 5.6 Pertes de charges singulières dans les conduits d’air (Source: «COSTIC«)
127
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.7.4 Dimensionnement des conduits
Pour concevoir et dimensionner un réseau de gaine dans un bâtiment, il est nécessaire de suivre la
procédure suivante :
◊ Les bouches de soufflages et de reprises doivent être positionnées sur le plan des locaux en
fonction de leur utilisation, de leur forme, de leurs dimensions, des débits d’air soufflés et
des contraintes du maître d’ouvrage,
◊ Faire le tracer unifilaire du réseau de gaine en implantation. Dans ce cas, on doit tenir
compte des bouches qui ont été positionnés, de l’emplacement choisi pour le climatiseur et
les possibilités de passage des gaines (poutre, poteaux, etc..),
◊ Après avoir calculé les débits d’air véhiculés qui sont en général proportionnels à la
répartition du bilan thermique dans chaque local, on peut procéder aux dimensionnement du
réseau de gaine.
Il existe trois méthodes généralement employées pour le calcul du réseau de gaine, à savoir : la
méthode de la vitesse, de l’égalité de frottement et de regain de pression statique.
Le choix d’une méthode d’étude dépend de la dimension du réseau. Il est conseillé d’utiliser :
◊
La méthode de la vitesse pour les petits réseaux ou des installations ne comportant pas
plus de trois ou quatre bouches (boutiques, bureaux, usages domestiques),
◊
La méthode d’égalité de frottement pour les immeubles et les réseaux moyens,
◊
La méthode de regain de pression statique pour des réseaux importants à vitesse élevée.
Quelle que soit la méthode utilisée, les différents paramètres qui entrent dans le calcul des gaines
sont : le débit, la pression, les pertes de charge et la vitesse.
Les vitesses d’air recommandées au départ des réseaux de gaines de soufflage en fonction des
applications sont présentés dans le tableau 5.7.
◊
Quelle que soit la méthode choisie, il est conseillé de réduire les pertes de charge lors de la
conception du réseau et du choix des matériaux pour réduire la puissance du ventilateur, et
par conséquence sa consommation électrique.
Application
Appartement de luxe, bureaux privés de direction
Hôpital, salle d’opération
Appartements, bureaux
Bibliothèque, laboratoire, magasin
Théâtre, cinéma
Restaurant, cafétéria, banque, lieux publics
Banque, lieux publics
Grands ensembles, magasins
Applications industrielles
Gaines en tôle
Vitesse [m/s]
3
3
4
4
5
6
6
8
8 - 10
Gaine en fibre de verre
Vitesse [m/s]
3,5
3,5
4,5
4,5
5,5
6-7
6-7
Tableau 5.7 : Vitesse d’air recommandée dans les réseau de gaine de conditionnement d’air
128
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.7.4.1 Méthode du choix des vitesses
La section du conduit à installer est déterminée à partir de la relation suivante :
S=D/V
•
D = débit-volume (en m³/s),
•
V = vitesse moyenne de l’air (m/s).
On calcule ensuite le diamètre du conduit (section circulaire) ou ses dimensions (section rectangulaire).
Cette méthode présente l’avantage d’être simple mais le choix de la vitesse dans chaque tronçon
conduit à accepter par avance les pertes de charges conséquentes, d’où la nécessité de prévoir des
actions ultérieures pour un équilibrage aéraulique complet du réseau.
5.7.4.2 Méthode du choix de la perte de charge
L’objectif ici est de choisir pour chaque branche donnée un diamètre permettant d’obtenir une perte de
charge correspondant exactement à la pression dynamique disponible, ce qui permet de concevoir une
installation équilibrée.
♦
Méthode de calcul
◊
La pression à l’entrée de la branche est connue (Pe),
◊
On connaît la longueur de la branche et la nature des singularités,
◊
On calcule la longueur équivalente de la branche (Leq),
◊
Si la branche comporte des dérivations, on étudie le trajet vers la branche la plus
défavorable, c’est-à-dire celle qui présente une longueur équivalente maximale,
◊
On calcule ensuite la perte de charge unitaire de la branche ( j = Pe / Leq),
◊
On choisit dans le diagramme des pertes de charge, pour chaque tronçon, le diamètre
permettant d’obtenir la perte de charge unitaire calculée,
◊
Si le conduit est rectangulaire, on choisira les dimensions qui correspondent au diamètre
équivalent obtenu,
◊
Lorsque le dimensionnement est effectué par cette méthode, il est toutefois recommandé
de prévoir quelques organes d’équilibrage à chaque dérivation importante de l’installation.
5.7.4.3 Méthode de calcul par récupération de la pression dynamique
Cette méthode ne s’applique qu’aux circuits de soufflage et pour des vitesses élevées en tête de circuit.
La méthode de calcul consiste à choisir des sections de conduits de manière à compenser les pertes
de charges totales du circuit.
129
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.7.5 Equipements terminaux (diffuseurs et grilles)
Figure 5.33 Différents types de diffuseurs
On distingue différents types de diffuseurs de soufflage (de gauche à droite) : diffuseur plafonnier
multicône carré, diffuseur plafonnier à jet hélicoïdal, plafonnier perforé, diffuseur linéaire, buse de
soufflage, grille murale à double déflecteur, bouche de sol.
5.7.6 Equilibrage
L’équilibrage permet d’assurer à chaque bouche le débit nécessaire.
Implantation
Sous les portes
Grilles de porte
Bouches murales en position basse, près
des occupants
Bouches murales dans la zone occupée,
loin des occupants
Au-dessus de la zone d’occupation
Vitesses
[en m/s]
1 - 1,5
1,5 - 2
2,5 - 3,5
3,5 - 4,5
4.5
Tableau 5.8 Vitesses recommandées dans les organes de reprise et de transfert
130
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Lorsqu’on modifie un circuit où lorsqu’on souhaite rattraper des erreurs de dimensionnement du réseau,
on utilise les organes d’équilibrage. Il existe de nombreux organes d’équilibrage parmi lesquels on peut
citer : les volets, les clapets gonflables, les diaphragmes, les clapets à iris, les clapets à papillon,…
L’équilibrage doit s’effectuer à trois niveaux : au niveau des bouches, au niveau des conduits
secondaires et au niveau des conduits principaux. Pour chacun des niveaux, les outils d’équilibrage
seront différents.
Le tableau 5.9 fournit quelques valeurs indicatives (basées sur l’expérience) des performances des
principales bouches d’air utilisées en climatisation.
Dispositif de
soufflage utilisé en
refroidissement
Débit d’air
soufflé
[m³/h par m²
de plancher]
Charge
Taux de
Ecart de
sensible brassage max. température max.
maximum
(hauteur de
entre ambiance et
[W/m²]
local de 3 m)
soufflage
[Volume/h]
[°C]
Vr
moyenne
[m/s]
Grilles (1)
11 à 21
57
7
8
0.125 - 0.175
Bouches linéaires (2)
14 à 36
98
12
8
0.100 - 0.175
Diffuseurs plafond (3)
16 à 90
330
30
11
0.100 - 0.250
Plafonds perforés
18 à 180
670
60
11
0.005 - 0.150
(1) : disposés au mur, en allège ou au sol
(2) : grilles ou diffuseurs, disposés au mur ou en plafond
(3) : circulaires ou carrés, disposés au plafond
Tableau 5.9 Performances indicatives des bouches d’air utilisées en climatisation
5.7.7 Choix des ventilateurs
Les ventilateurs représentent l’une des principales sources de consommation d’électricité dans les
installations de climatisation. Ils doivent donc être choisis avec beaucoup de précautions. On doit
particulièrement veiller à la position et au déplacement de leurs points de fonctionnement. On évitera
surtout de surdimensionner les moteurs électriques qui équipent les ventilateurs. On rencontre en
général quatre types de ventilateurs sur les installations de climatisation :
◊
Les ventilateurs centrifuges à aubes inclinées vers l’arrière (à réaction),
◊
Les ventilateurs centrifuges à aubes inclinées vers l’avant (action),
◊
Les ventilateurs à aubes radiales,
◊
Les ventilateurs hélicoïdes.
131
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Le tableau 5.10 présente une analyse comparative des performances des ventilateurs centrifuges.
Critères de comparaison
Ventilateur à action
Ventilateur à réaction
forte
faible
faible
forte
Gain de pression possible
faible (résistance mécanique
des aubes limitée)
moyen
Puissance absorbée
augmente avec le débit
forte (résistance mécanique
des aubes élevée)
élevé
augmente avec le débit, puis
décroît après un maximum
Variation du débit lorsque la
résistance du circuit varie
Variation du gain de pression
lorsque le débit du circuit varie
Vitesse de rotation possible
Rendement
Niveau sonore
60 - 75 %
75 - 85 %
modéré
élevé
Tableau 5.10 Performances comparées des ventilateurs à action et à réaction
5.8 LE CIRCUIT HYDRAULIQUE
L’eau glacée produite dans les centrales de climatisation (salle de machines) doit alimenter les ventiloconvecteurs situés dans les différents locaux par un système de tuyauteries.
5.8.1 Régime de température
Dans un circuit d’eau glacée, si la température de départ est trop basse, cela pourrait provoquer une
surconsommation, d’importantes pertes en ligne et des problèmes de régulation. Un régime de
température légèrement élevé pourrait réduire les condensations coûteuses en ligne et dans les unités
terminales.
5.8.2 Configuration du réseau
Pour ces réseaux hydrauliques, il existe trois types de systèmes :
132
◊
Le système à deux tuyauteries : une conduite sert à l’alimentation des ventilo-convecteurs
en eau glacée et l’autre de retour à la centrale de climatisation,
◊
Le système à trois tuyaux : deux tuyaux amènent de l’eau à chaque ventilo-convecteur, l’un
véhicule l’eau froide et l’autre de l’eau chaude, un troisième sert de retour commun. Ce
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
système est applicable aux immeubles dont les locaux sont tantôt dans l’ombre tantôt au
soleil et présentant plusieurs orientations,
◊
Le système à quatre tuyaux : deux circuits hydrauliques sont utilisés ; l’un pour l’eau
chaude et l’autre pour l’eau froide. Les ventilo-convecteurs comportent deux batteries
(chaude et froide) ; chaque circuit comporte une tuyauterie aller et retour.
Type de réseau
Avantages
hydraulique
Système à deux Simple et peu coûteux
tuyaux
Encombrement réduit
Inconvénients
-
Système à trois Disponibilité : chauffage et le
tuyaux
refroidissement suivant les
besoins
Système à quatre - Régulation individuelle et
tuyaux
simple
- Aucun zoning à prévoir
- Perte d’énergie moindre par
rapport au système à trois
tuyaux
-
-
manque de flexibilité
régulation centrale
Inertie du système au moment de
l’inversion
non simultanéité entre le froid et le
chaud
pertes d’énergie par suite de
mélange du médium chauffant et
réfrigérant
coûts des tuyauteries élevés
réseau de tuyauteries important
pour l’eau chaude, froide et
condensats ;
Adaptabilité en
Afrique tropical
Adaptable en
Afrique tropical
- Pas besoin de
chauffage
A proscrire :
gaspillage
énergétique
important
A proscrire :
- trop onéreux
- trop énergivore
système très onéreux
Tableau 5.11 Critiques des différents systèmes de réseau hydrauliques
5.8.3 Choix des tuyauteries
Les différents types de conduites utilisées sont :
◊
Le polychlorure de vinyle. Il est très apprécié à cause de sa qualité (conduite sans
soudure) mais il coûte très chers et est généralement importé,
◊
Les conduites en cuivre. Elles sont de bonne qualité mais onéreuses,
◊
Les conduites en acier noir. Elles sont généralement utilisées à cause de son prix
acceptable et variable avec la qualité.
De ces trois types de tuyauteries, nous conseillons d’utiliser les conduites en acier noirs tarif 2 ou 3
(bonne qualité) dont le coût est acceptable dans notre environnement socio-économique. Cependant,
ces types de conduites posent régulièrement les problèmes de corrosion qui devraient être résolus par
des inhibiteurs de corrosion à base de nitrite, de chromate ou d’hydrazine qui forment un film protecteur
sur les surfaces métalliques propres. Ces systèmes doivent être munis d’un filtre à cartouche installé en
série sur une pompe de circulation. Ce filtre retient les matières en suspension et les micro-organismes
qui amènent généralement des problèmes quant au contrôle de la corrosion.
133
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
5.8.4 Dimensions des conduites
Le tableau 5.12 fournit les vitesses à adopter pour le calcul des diamètres des tuyauteries d’eau glacée.
Tube acier
DN
φext
(mm)
12
15
20
25
32
40
50
65
80
90
100
125
150
175
200
225
250
300
350
400
17.2
21.3
26.9
33.7
42.4
48.3
60.3
76.1
88.9
101.6
14.3
139.7
168.3
193.7
219.1
244.5
273
323.9
355.6
406.4
φInt
φext
(mm)
10
12
14
16
18
20
12
14
16
18
20
22
Sous-sol
Etage
Monotube
Réseau de chaleur
V
[m/s]
0.45
0.55
0.70
0.80
0.90
0.95
1.1
1.3
1.4
1.5
1.5
1.5
V
[m/s]
0.45
0.55
0.70
0.80
0.90
0.95
1.0
1.1
1.2
1.2
1.21
1.21
V
[m/s]
0.65
0.75
0.85
1.00
1.20
V
[m/s]
1.9
2.0
2.05
2.1
2.2
2.3
2.4
2.8
Tube cuivre
Sous-sol
Etage
Monotube
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.70
0.75
0.80
0.90
1.00
Réseau de chaleur
Tableau 5.12 Vitesses maximales recommandées dans les
circuits hydrauliques à circulation permanente
134
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
5.8.5 Régulation hydraulique
Pour faire varier la puissance de l’installation, on peut agir sur les paramètres suivants :
◊
le débit d’eau glacée (utilisation d’un robinet à deux ou trois voies),
◊
la température d’entrée de l’eau.
5.8.6 Pertes de charges
Dans l’ensemble, les pertes de charge varient approximativement avec le carré du débit :
P = k . De ²
5.8.5.1 Pertes de charges linéaires
Perte de charge linéaire (∆ Pl):
∆ Pl = j . L
•
•
j = perte de charge unitaire (en Pa / m)
L = longueur du conduit ( en m)
La figure 5.34 permet d’obtenir les valeurs de pertes de charges unitaires sur les circuits d’eau glacée.
135
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Figure 5.34 Pertes de charge unitaires pour les circuits d’eau glacée dans les tubes
acier et les tubes cuivre [source: "COSTIC"]
5.8.5.2 Pertes de charges singulières
On distinguera deux types de singularités :
◊ Les coudes, les passages directs, les tés…
∆ Ps1 = 0.5 .ζ . ρ . V ²
•
•
•
136
ρ = masse volumique de l’eau (en kg / m³)
V = vitesse moyenne de l’eau (en m / s)
ζ = coefficient de pertes de charges
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Le tableau 5.13 fournit les valeurs de ζ les plus utiles.
Tableau 5.13 Coefficients de pertes de charge singulières (circuits hydrauliques)
∆Ps1 est estimé à 15 % en distribution et à 30 % de ∆P1 en local technique.
◊ Les singularités dus aux équipements divers (échangeurs, robinets à soupapes,
compteur…) dont les pertes de charges sont obtenues à partir des catalogues
constructeurs.
5.8.7 Equilibrage du réseau
L’équilibrage peut être réalisé sur un seul niveau, en sortie des émetteurs, pour de petites installations.
Pour des installations plus importantes, la distribution comportera plusieurs niveaux de sectionnement
et d’équilibrage. Le défaut d’équilibrage est très fréquent sur les distributions d’eau. Un mauvais
équilibrage provoque des troubles de fonctionnement et une consommation excessive d’énergie.
5.8.8 Les pompes hydrauliques
Le point de fonctionnement d’une pompe hydraulique est le couple débit / pression sur lequel elle se
positionne pour un circuit donné. Pour choisir une pompe, on doit définir les paramètres suivants :
Hauteur manométrique totale, débit, pression de service, mode de raccordement, nature et température
du fluide, mode de variation du débit, allure de la courbe caractéristique, capacité d’aspiration… le
137
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
réglage du débit d’une pompe peut se faire par les méthodes suivantes : variation de la vitesse de
rotation, changement de turbine, bridage au refoulement et mise en place de bipasse.
5.9 ACOUSTIQUE
Une installation de climatisation peut générer des nuisances acoustiques si des dispositions adéquates
ne sont pas prises dès sa conception (voir chapitre 3).
En matière de bruit, presque tous les constituants d’une installation de climatisation ont un double rôle
totalement opposé : d’une part ils sont sources de bruit, et d’autre part ils sont atténuateurs de bruits.
Pour chacun des constituants, on se rend compte que le bruit est produit dans un spectre donné, le
spectre d’atténuation existant en général sur une autre gamme de fréquence.
Composants générateurs de bruits :
◊
Ventilateurs : on remarque que le bruit élis par un ventilateur est le plus faible lorsqu’il
fonctionne à son point de rendement maximal,
◊
Silencieux à absorption : le bruit dégagé par ce constituant est fonction de la vitesse de l’air
et de l’écartement de ses baffles,
◊
Conduits aérauliques,
◊
Diffuseurs de soufflage et bouches de reprises.
Composants atténuateurs de bruits :
◊
Centrale de traitement d’air (hormis les ventilateurs)
◊
Conduits aérauliques ( leur isolation atténue le bruit)
◊
Les bouches de soufflage et de reprise
◊
Les silencieux
La figure 5.37 présente quelques dispositions à prendre pour éviter la propagation des bruits dans un
local technique.
5.10 PROTECTION ET SECURITE INCENDIE
Les dispositions de protection et de sécurité incendie (signalisation, types d’extincteurs, bornes
incendie, sorties secours,…) doivent toujours être prises en parfait accord avec les services
compétents (sapeurs pompiers). Lorsqu’on réalise une installation de climatisation, on doit éviter que le
feu ne puisse par exemple se propager par les réseaux de gaines. En ce qui concerne leur résistance
au feu, les matériaux sont classés en trois catégories : éléments stables, éléments pare-flammes et
éléments coupe-feu.
138
--------------------LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE
Figure 5.35 Support antivibratile
Figure 5.37 Protection contre des bruits émis d’un local technique
139
LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------
Dans les réseaux de gaines, on doit installer au niveau des passages entre différents locaux, des
clapets coupe feu équipés de déclencheurs thermiques qui ferment automatiquement les clapets dès
que la température atteint 70 à 72 °C.
Pour des incendies qui évoluent lentement sans dégagement de chaleur mais avec un grand
dégagement de fumée (incendies de matériels électriques), on équipe les clapets coupe-feu de
servomoteurs électriques ou électropneumatique dont la commande s’effectue à partir de détecteurs de
fumée.
BIBLIOGRAPHIE
[1]
AICVF, Conception des installations de climatisation et de conditionnement d’air. Tertiaire et
Industrie, Collection des guides de l’AICVF, Guide N° 10, PYC Editions, Première Edition, 1999.
[2]
REINMUTH F., Climatisation et Conditionnement d’air, Tome 1, Les Calculs, traduit de l’allemand
par Jean-Louis Cauchepin, PYC Editions, 1999.
[3]
REINMUTH F., Climatisation et Conditionnement d’air, Tome 2, Le choix d’un système, traduit de
l’allemand par Jean-Louis Cauchepin, PYC Editions, 1999.
[4]
PALENZUELA D., HOFFMANN J.B., COSTIC, EFD, Diffusion de l’air en climatisation
individuelle.
[5]
AICVF, Guides de l’AICVF N°4 : Aéraulique - Principes de l’aéraulique appliqués au génie
climatique, PYC Editions, 1991.
[6]
AICVF, Guides de l’AICVF N°5 : Ventilation - Conception et calcul des installations de ventilation
des bâtiments et des ouvrages, PYC Editions, 1992.
[7]
BRUN M. et PORCHER G., Conception et calcul des procédés de climatisation, Les Editions
Parisiennes Chaud-Froid-Plomberie, 4e Edition.
[8]
CARRIER, Carrier Formation : Description des installations les plus courantes – Technique de la
climatisation individuelle, Carrier S.A., 1995.
[9]
CARRIER, Carrier Formation : Diffusion de l’air dans les locaux (principes, composants,
applications) - Systèmes de conditionnement d’air, Carrier S.A., 1992.
[10]
CARRIER, Carrier : Technical Development Program - Ventilateurs centrifuges et analyse des
systèmes de ventilation (Théorie, lois des ventilateurs, applications), Carrier S.A ., 1993.
140
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
CHAPITRE 6
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
INTRODUCTION ............................................................................................................................... 142
6.1
LES EXIGENCES DU CONFORT THERMIQUE EN LIAISON AVEC LES
ECONOMIES D'ENERGIE..................................................................................................... 142
6.1.1 Température et humidité de l'air intérieur......................................................................................... 143
6.1.2 Vitesse et qualité de l'air ................................................................................................................... 144
6.1.3 Taux de renouvellement d'air et coefficient de perméabilité ............................................................. 144
6.1.4 Rayonnement des parois ................................................................................................................... 146
6.1.5 Rayonnement solaire piégé à l’intérieur des locaux.......................................................................... 147
6.1.6 Taux d’occupation des locaux .......................................................................................................... 150
6.2
CRITERES DE PERFORMANCE TECHNIQUE DES BATIMENTS............................... 151
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.3
Enveloppe d’un bâtiment climatisé................................................................................................... 151
Inertie des bâtiments ......................................................................................................................... 153
Isolation thermique ........................................................................................................................... 154
Vitrage et protection solaire.............................................................................................................. 157
Eclairage artificiel............................................................................................................................. 159
RATIOS DE CONSOMMATION ENERGETIQUE............................................................. 162
6.3.1 Critères de performance du bâtiment ................................................................................................ 162
6.3.2 Ratios de consommation d’énergie dans le bâtiment ........................................................................ 165
LISTE DES SYMBOLES.................................................................................................................... 166
BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................... 167
141
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
INTRODUCTION
Le concepteur d'une installation de climatisation est souvent confronté à devoir dimensionner une
installation très énergivore, suite aux choix faits au niveau de l'enveloppe du bâtiment. Il regrette alors
de ne pas avoir pu intervenir plus tôt auprès de l'architecte…
L'objet de ce chapitre est de mettre en évidence les éléments de la conception qui permettront de
limiter les consommations du bâtiment durant toute sa durée de vie.
Attention
Les critères de qualité repris ci-après concernent les bâtiments climatisés. Ils peuvent être différents si
dès le départ on a choisi de ne pas climatiser le bâtiment et de favoriser sa ventilation naturelle.
6.1 LES EXIGENCES DU CONFORT THERMIQUE EN LIAISON AVEC LES
ECONOMIES D'ENERGIE.
Le confort thermique est défini comme la situation où l'individu ne ressent ni chaleur ni froid. C'est un
état d'équilibre difficile à atteindre pour des raisons à la fois subjectives et objectives.
◊
Raisons subjectives : le confort thermique dépend des individus (age, sexe, situation
géographique..). Il dépend aussi de l'activité de l'individu (état de repos, sport, travail...)
◊
Raisons objectives : le confort thermique dépend des paramètres météorologiques du
moment et du lieu que sont la température, l'humidité de l'air, le vent le rayonnement des
corps...
On s'accorde pour définir une plage où la valeur moyenne des paramètres température, humidité et
vitesse de l'air sont telles que la moyenne des personnes éprouve une sensation de bien être. Plusieurs
plages ou zones de ce type sont ainsi proposées par la documentation. Ces zones sont
malheureusement trop souvent en rapport avec le confort thermique dans les pays occidentaux. Celle
que nous proposons ici est tirée des travaux de GIVONI et MILNE [ 8 ]. Ces auteurs proposent des
limites aux paramètres de confort thermique, humidité et température pour les régions tropicales
chaudes humides et sèches.
Les températures et humidités de confort ainsi proposées sont :
20°C
20 %
<
<
Température
Humidité
<
<
27°C
80 %
Le croquis ci-dessous de la figure 6.1 donne avec plus de précision ces limites
Le choix d'une zone de confort n'est pas sans conséquences sur les charges frigorifiques et par
conséquent sur la consommation énergétique du bâtiment. Chaque fois que la climatisation artificielle
142
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
est sollicitée, l'atmosphère concernée est initialement hors de la zone de confort et la climatisation
consistera à l'y ramener.
En retenant une température de consigne de climatisation de 24°C avec une humidité de 50 %, on
choisit de façon implicite des charges frigorifiques élevées que l'installation devra supporter. Une
consigne flottante entre 24° et 27°, régulée en fonction de la température extérieure permet, par
exemple, des économies importantes. De plus, elle permet de diminuer le choc thermique à l’entrée du
bâtiment.
Figure 6.1 Zone de confort et types de climat
6.1.1 Température et humidité de l'air intérieur
Pour climatiser un local, il faut ramener sa température et quelques fois son humidité à une valeur
demandée par l'utilisateur. L'air de climatisation est refroidi sur des batteries froides et soufflé dans le
local à climatiser à une température dite de soufflage bien en dessous de la température de consigne.
Les apports calorifiques sensibles et latents du local vont ramener cet air dans les conditions initiales.
Les températures et humidités de consigne ne sont pas données au degré près. Une marge d'erreur de
1 ou 2°C est tolérable.
Une installation de climatisation de 10 kW fonctionnant entre les températures de saturation de 40 et –
10°C voit son Coefficient de performance diminuer de 3% quand la température du milieu à climatiser
diminue de 1°C
143
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
6.1.2 Vitesse et qualité de l'air
La vitesse de l'air joue un rôle important dans la sensation de confort ressenti par les individus. A
température et humidité égale, c'est la vitesse de l'air qui régule les flux de chaleur entre le corps et le
milieu ambiant. L'effet de la vitesse de l'air n'est sensible au niveau de l'individu qu'à parti de 0,2 m/s.
Les températures limites ci-après sont à retenir en ventilation interne.
Vitesse = 0,2 m/s début sensation du vent par les individus
Vitesse = 1,5 m/s vitesse moyenne conseillée dans les locaux
Vitesse = 5 m/s début de l’inconfort absolu
La qualité de l’air quant à elle répond à d’autres critères. L'air d'une pièce est acceptable pour le confort
d'hygiène quand le taux d'oxygène et de gaz carbonique est dans les proportions usuelles :
taux de O2 de 20,7 %
taux de CO2 de 0,03 %
Le maintien de la qualité de l'air est essentiel à la fois pour le confort et la santé des personnes.
L'extraction des polluants est indispensable. Les polluants les plus fréquents dans une atmosphère
polluée sont :
le gaz carbonique
les odeurs
les micro-organismes
la vapeur d'eau
6.1.3 Taux de renouvellement d'air et coefficient de perméabilité
Le taux de renouvellement d'air d'un local est fonction de l'utilisation du local. Les normes proposent en
moyenne un taux de renouvellement
qv = 30 m3/h/personne
Cette valeur correspond à un pourcentage d'insatisfaits de 20 % dans un échantillon de personnes
placées dans l'atmosphère correspondante. Les impératifs d'économie d'énergie peuvent conduire à
considérer des valeurs de taux de renouvellement inférieures à cette limite. On accroît corrélativement
le taux d’insatisfaits tout en réduisant considérablement les charges frigorifiques.
144
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
La réglementation en vigueur dans chaque pays fixe les taux de renouvellement d'air des locaux en
fonction de leur destination. Le tableau 1.14 fournit des valeurs en fonction de l'utilisation du local.
Dans la pratique courante une valeur de 20 m3/h est un bon compromis dans nos pays africains
Il faut toutefois se rappeler que le renouvellement d'air dans un local est fait de deux manières
différentes. L'un est provoqué et donc artificiel. C'est celui dont il est question ici dans ce paragraphe.
Le second est naturel et difficile à contrôler, c'est le renouvellement d'air par infiltration par les
ouvertures. Le renouvellement d'air provoqué, pour être efficace, doit tenir compte des infiltrations et
des ouvertures et fermetures incessantes des portes et fenêtres. Le tableau 6.1 donne les débits d'air
par infiltration.
Valeurs en m³/h de l'air d'infiltration pour 1 m.l de
fente (1)
Type de fenêtre
Fenêtre à 2 vantaux
(dite à la Française)
Fenêtre à projection
(dite à l'Australienne)
Fenêtre pivotant
verticalement
(1)
(2)
Mode de
construction
Matériau
châssis
Vitesse du vent (2)
Courante
Courante
Courante
Soignée
Bois
Métallique
Acier
Acier
≥ 10
km/h
0,7
2,0
1,5
1,3
Moyenne
Métallique
2,8
15
km/h
2,0
4,5
3,5
3,0
25
km/h
3,5
7,0
6,0
4,8
33
km/h
5,5
10,0
8,0
7,0
40
km/h
7,5
13,0
10,0
9,0
50
km/h
10,0
15,5
13,0
11,5
8,0
13,0
17,0
21,0
22,0
Supposé uniformément de 2 à 3 mm de large.
Arrivant perpendiculairement à la surface de la fenêtre. Lorsque le vent arrive obliquement (à au moins 30° de la
perpendiculaire) par rapport à la surface de la fenêtre on minore les valeurs ci-dessus de 30 %. Ces valeurs peuvent
être minorées de 35 à 40 % en cas d'utilisation de joints aux fentes.
Tableau 6.1 Infiltrations d'air extérieur par les fenêtres
145
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Valeurs en m³/h de l'air d'infiltration pour
1 m.l de fente (1)
Mode de construction
≥ 10
km/h
Vitesse du vent (2)
15
25
33
40
km/h km/h km/h km/h
50
km/h
Porte en bois, châssis en bois ou
métallique
5
7
10
15
19
24
Porte métallique, châssis métallique
18
36
55
72
90
110
(1)
(2)
Supposé uniformément de 2 à 3 mm de large.
Arrivant perpendiculairement à la surface de la fenêtre. Lorsque le vent arrive obliquement (à au
moins 30° de la perpendiculaire) par rapport à la surface de la fenêtre on minore les valeurs cidessus de 30 %. Ces valeurs peuvent être minorées de 35 à 40 % en cas d'utilisation de joints
aux fentes.
Tableau 6.2 Infiltrations d'air extérieur par les portes
Magasins de détail (art. de grande consom.)
Magasins d'articles de luxe
Petits ateliers (travaux de dépannage rapide)
Portes ordinaires
en glace
en menuiserie
[m³/h/m²]
[m³/h/m²]
300
225
60
40
Portes
tournantes
[m³/h/m²]
100
29
Tableau 6.3 Infiltrations d'air extérieur par les portes
6.1.4 Rayonnement des parois
La température des murs et des parois environnantes influe sur la sensation de confort des individus.
On peut être placé dans un milieu de température, d'humidité et de vitesse d'air convenables et être
incommodé du fait de la température trop élevée des parois avoisinantes. De ce fait on retrouve une
situation d'inconfort thermique.
146
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
Figure 6.2 Rayonnement des parois et confort thermique
On estime en général qu'une différence de température de +3°C entre parois et air conditionné suffit à
donner une impression de chaleur et donc d'inconfort.
On exprime la température ainsi ressentie par l'individu par une formulation donnée en fonction de la
température sèche de l'air TR et de la température rayonnante des parois TS par :
TRS =
•
T R + TS
2
TRS = la température résultante
6.1.5 Rayonnement solaire piégé à l’intérieur des locaux
Le rayonnement solaire tombant sur un édifice est soit absorbé, soit réfléchi soit transmis à l'intérieur de
l'édifice selon la nature des parois. Lorsque les parois de l'édifice sont opaques, le rayonnement est soit
réfléchi, soit absorbé.
La partie du rayonnement solaire absorbée par les parois contribue à augmenter les charges
frigorifiques avec un déphasage dans le temps. Lorsque les parois sont transparentes, c’est le cas des
ouvertures vitrées, le rayonnement est directement transmis à l'intérieur des locaux où il va être
147
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
absorbé par les murs, le mobilier ou tout autre objet interne au local. Le rayonnement est très peu
absorbé directement par l'air interne.
Figure 6.3 Gains solaires instantanés et retardés à travers les vitres
L'effet de serre doit être évité dans les pays chauds où la tendance générale est de refroidir les locaux
pour tendre vers le confort au contraire des climats tempérés où il est recherché. Les ouvertures à l'Est
et à l'Ouest sont particulièrement efficaces pour faire de l'effet de serre et sont donc à proscrire quand
on veut réduire la consommation énergétique d'un bâtiment.
Le croquis représenté par la figure 6.3 explique le processus par lequel le rayonnement transmis par
une vitre est cédé à l'air de la salle climatisée en deux étapes.
Une partie de l'énergie calorifique transmise passe directement à l'air ambiant par convection sur les
parois. Ce sont les apports calorifiques instantanés. Comme les murs et autres corps environnants ont
une inertie thermique, une partie de l'énergie transmise est stockée dans ces murs et objets divers pour
être restituée à l'air avec retardement. Ce sont les apports déphasés.
L'effet de serre peut être évité au moyen d'artifices architecturaux simples tels que les masques et
autres dispositifs d'ombrage. Les auvents et rebords de fenêtre sont particulièrement efficaces à cet
effet.
148
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
Figure 6.4 Dispositifs d'ombrage pour réduire les apports solaires par les ouvertures
Dans la pratique les dispositifs d'ombrage sont de deux types, soit verticaux soient horizontaux. On
trouve des dispositifs d'ombrage horizontaux contre le rayonnement du soleil lorsque celui-ci est haut
dans le ciel : figure 6.4. Les dispositifs verticaux arrêtent le rayonnement rasant en général dans
l'après-midi ou le matin. On trouve également des dispositifs mixtes. Lorsque le bâtiment existe déjà,
les solutions pour arrêter le rayonnement sont limitées. On utilise alors les masques internes tels que
les stores et les rideaux. Les stores ont l'avantage d'être placés soit à l'intérieur soit à l'extérieur du
local. L'efficacité est maximale lorsque le store est placé à l'extérieur, ce qui évite au rayonnement de
pénétrer l'immeuble.
Figure 6.5 Rectorat des Antilles et de la Guyane. Schoelcher (Martinique) [source:"C.Hauvette et J. Nouel"]
149
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Les rideaux au contraire doivent être placés à l'intérieur. Le rayonnement est de ce fait admis dans le
local et les rideaux jouent le rôle d'un absorbeur solaire ou même d'un mur "trombe" suivant leur
couleur et leur inertie. Lorsqu'ils sont de couleur claire, le rayonnement solaire est réfléchi par les
rideaux et retransmis par la vitre vers l'extérieur. Tout dispositif avec rideau de couleur sombre est en
réalité un capteur solaire plan à effet de serre dont l'efficacité de chauffage de l'air intérieur est élevée.
6.1.6 Taux d’occupation des locaux
L'occupation d'un local est fonction de l'utilisation ou de la destination du local. En règle générale, c'est
l'insalubrité de l'air qui sera déterminante dans le choix des valeurs limites exprimées en individus au
mètre carré.
Dans une salle de conférence par exemple, on peut avoir une densité élevée de personnes avec pour
conséquence un excès d'apport calorifique et un taux de CO2 dépassant de loin les valeurs usuelles de
0,3 g par m³ et une humidité relativement élevée sans compter la concentration en odeurs.
Figure 6.6 Evolution du taux de CO2 dans une salle occupée. Source [ 4 ]
Locaux
Débit
[m³/h par personne]
Taux d'occupation
[m² par personne]
Débit
[m³/h par m²]
Salle de cours
Salle d’attente non-fumeur
Salle d’attente fumeur
Bureaux
Bibliothèque
Salle de réunion
15
18
25
25
25
18
1,5
3
3
10
6
8,5
12,5
1,5
2
12
Tableau 6.4 Taux d’occupation des salles : Administration. Source [21]
150
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
6.2 CRITERES DE PERFORMANCE TECHNIQUE DES BATIMENTS
6.2.1 Enveloppe d’un bâtiment climatisé
Un bâtiment échange avec trois sources de chaleur :
le soleil
l'air ambiant externe
la voûte céleste
Le soleil contribue toujours à élever la température moyenne de l'édifice. L'échange de chaleur avec
l'air ambiant est soit favorable ou défavorable en terme d'apport suivant que cet air est plus chaud ou
plus froid que celui des locaux. Celui avec la voûte céleste est en règle générale réalisé au détriment
du bâtiment du fait que la température de la voûte céleste est presque toujours inférieure à celle des
édifices.
Pour réduire les apports de chaleur dus au soleil et à l‘air ambiant, l'enveloppe du bâtiment doit être
conçue en conséquence :
◊ Donner le moins de surface possible à la captation du rayonnement solaire et au transfert
par convection de la chaleur de l'atmosphère,
◊ Μinimiser la diffusion de l'énergie captée vers l'intérieur de l'édifice.
La chaleur reçue par un bâtiment de surface totale S par absorption du rayonnement solaire est de la
forme :
Qr = ε S Φ s
•
Φs est l'éclairement solaire arrivant sur le bâtiment et ε le coefficient d'absorption
des matériaux de revêtement de l'édifice.
Celle reçue par le même bâtiment de température moyenne de paroi extérieure Tpe par convection
avec un air extérieur de température moyenne Te est de la forme
Qc = h S ( Te - Tpe)
151
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Comme on le constate, les deux chaleurs sont directement proportionnelles à la surface du bâtiment.
Pour réduire la quantité de chaleur transmise à la paroi des édifices, le premier réflexe consiste à
réduire la surface de captation offerte.
Figure 6.6 Compacité et forme de bâtiments économes en énergie
Une enveloppe de bâtiment économique en énergie doit être compacte. La compacité d’un édifice est
définie par son ratio surface sur volume ou coefficient de forme. Plus ce ratio est faible et plus l’édifice
est dit compact. Voir figure 6.6. Pour minimiser la captation des chaleurs rayonnantes et convectives
une enveloppe doit :
◊ Avoir une forme compacte offrant un rapport surface volume faible,
◊ Etre orienté dans le sens longitudinal Est-Ouest afin que les façades principales soient
orientées Nord-Sud,
◊ Avoir des masques de protection des façades afin de protéger les façades du
rayonnement direct. Ce sont les auvents, les rideaux, les stores, les vérandas, la
végétation,
◊ Avoir des ouvertures en surface et nombre limité,
◊ Avoir des matériaux de revêtement externe clairs.
Pour réduire la transmission de la chaleur vers l'intérieur des locaux d'un bâtiment, on joue à la fois sur
l'inertie et la conduction. La diffusion thermique dans un corps est en effet caractérisée par un
coefficient dont l’expression prend en compte la conductivité et l’inertie thermiques
D = λ / ρ cv
D est la diffusivité thermique. Les coefficients de diffusivité de différents matériaux de construction sont
donnés par le tableau 6.5
152
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
Corps
Béton
Terre
cuite
Tôle
Mur de
Brique
Bois
D *107
4,81
7,10
112
3,79
3,33
Parpain
g
Creux
6,09
Terre
pressée
Laine de
Verre
7,10
5,7
Tableau 6.5 Coefficient de diffusion de différents matériaux de construction en m2/s
6.2.2 Inertie des bâtiments
Elle représente la capacité des corps à s'opposer au passage de la chaleur en la stockant sous forme
de chaleur sensible. L'inertie est une fonction de la masse du corps et de sa chaleur massique. Le
terme ρcv ci-dessus est l’inertie par unité de volume. Pour caractériser totalement l'inertie d'un corps il
faut connaître sa chaleur massique cv et sa masse volumique ρ. Le tableau 6 du chapitre 1 donne ces
propriétés physiques pour différents matériaux de construction. L'inertie d'un édifice est la somme des
inerties des parties qui le composent. En pratique, on caractérise le bâtiment le plus souvent par sa
masse par unité de surface à l'aide du coefficient α mesurant la masse par unité de surface couverte
par le bâtiment. L’effet de l’inertie sur l’échauffement de l’édifice est un écrêtement des amplitudes de
température interne avec un déphasage de celles-ci par rapport à celles de l’extérieur comme le montre
la figure 6.7.
α < 75 kg/m²
bâtiments légers
75 < α < 300 kg/m² bâtiments moyens
bâtiments lourds
300 < α kg/m²
Figure 6.7 Déphasage et amortissement d’amplitude de la température des locaux
153
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
6.2.3 Isolation thermique
L'isolation thermique forme avec l'inertie thermique les deux paramètres qui définissent la diffusivité
thermique. Suivant l'isolation ou la conductivité thermique du corps la chaleur est transmise plus ou
moins vite, ou en plus ou moins grande quantité. L'isolation thermique est la résistance plus ou moins
grande des matériaux à s'opposer au transfert de la chaleur. Par exemple, la brique laisse passer la
chaleur plus facilement que le bois, qui lui-même est plus conducteur que la laine de verre. La chaleur
transmise par conduction à travers un mur se note
Q =
•
λS
e
(Tpe - Tpi)
Tpe et Tpi sont les températures de paroi externe et de paroi interne du
mur de conductivité λ et d’épaisseur e.
L'épaisseur e, la surface S et la conductivité λ du mur déterminent la densité du flux de chaleur qui
passe à travers ce mur. Selon la composition de l'enveloppe d'un bâtiment, une chaleur plus ou moins
importante sera transmise. Le tableau 6.7 donne les conductivités thermiques des matériaux de
construction usuels.
Dans la pratique, on s'intéressera au coefficient d'échange global "k" de la paroi. Celui-ci prend en
compte la conduction à travers toutes les composantes du mur ainsi que la convection sur les faces
externes et les faces internes. Le coefficient global d'échange k est défini par :
1 1
e
1
= +∑ i +
k hi
λi Si he
Les coefficients de convection hi et he dépendent de la circulation de l'air autour des parois. Ils sont
donc variables et dépendant du temps. Le coefficient he est pratiquement toujours inférieur à hi en
raison des mouvements d'air externes qui améliorent la convection (tableaux 6.6 et 6.7).
Coefficients de
convection
[W/m².K]
Ascendant
Paroi extérieure
hi = 9,09
he = 16,60
Cloison
hi = 8,33
he = 8,33
Tableau 6.6 Valeurs des coefficients de convection de parois verticales. Source [1]
154
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
Sens du flux de
matière
Ascendant
Descendant
Paroi extérieure
Cloison (intérieure au bâtiment)
hi = 11,1
he = 20
hi = 10
he = 10
hi = 6
he = 20
hi = 6
he = 6
Tableau 6.7 : Coefficient h en W/m².K de parois horizontales ou à faible pente : cas des toitures.
Source [1]
Le tableau 6.8
composite.
donne un exemple type de calcul de coefficient global d’échange pour une paroi
Eléments successifs rencontrés par le flux de
chaleur dans le mur
Résistance thermique
[m².K/W]
Surface intérieure de la paroi
1/hi = 0,11
Enduit plâtre de 1 cm
e/λ1 = 0,02
Brique plâtrière de 5 cm
e/λ2 = 0,09
Lame d'air non ventilée y compris ses deux parois
e/λ3 = 0,16
Béton caverneux de 15 cm
e/λ4 = 0,11
Enduit au mortier extérieur
e/λ5 = 0,01
Surface extérieure de la paroi
1/he = 0,06
Résistance thermique totale
0,56 K.m²/W
Valeur de k ( = 1 / résistance totale)
1,8 W/m².K
Tableau 6.8 Exemple de calcul de coefficient global d'échange k
Des valeurs de coefficients globaux d'échange sont données par le tableau 6.9 pour diverses structures
de paroi.
155
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Structure interne du mur
Epaisseur
Coefficient k
[W/m²/K]
Plâtre enduit
Aggloméré ciment
Plâtre end
Carrelage
Béton lourd
Bois sec
Vide air
Bois humide
Bois sec
Vide
Bois sec A
Tôle (seule)
0,015
0,100
0,015
0,050
0,100
0,016
0,050
0,025
0,016
0,050
0,016
0,002
Bois sec (seul)
0,025
k = 2,97
Terre comprimée (seule)
0,350
k = 1,99
Béton léger
Mortier ciment
Plâtre enduit
Polystyrène
Aggloméré ciment
Mortier ciment
Bois sec
Vide air
Tôle
Moquette
Béton lourd
Tôle
Polystyrène
Tôle
Béton (seul)
Bac alu (seul)
Plâtre
Parpaing
Ciment
Ecaille
Terre
0,200
0,015
0,015
0,030
0,200
0,015
0,016
0,050
0,002
0,001
0,100
0,001
0,040
0,001
0,100
0,225
0,015
0,225
0,020
0,030
0,400
k = 2,98
k = 3,70
k = 1,69
k= 1,78
k = 5,88
k = 1,56
k = 0,87
k = 2,19
k = 2,46
k= 0,84
k = 4,40
k = 5,88
k = 2,56
k = 2,75
Tableau 6.9 Coefficients globaux d’échange pour diverses structures de paroi. Source [22]
156
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
Dans les bâtiments climatisés, on peut être amené à isoler une façade très ensoleillée de manière à
réduire les gains de chaleur par cette paroi. Les isolants les plus utilisés sont la laine de verre, le
polystyrène, le polyuréthane, la laine de kapok en Afrique, les fibres de coton. Il est inutile dans tous les
cas d'isoler les cloisons de locaux voisins si ceux-ci sont climatisés aux mêmes moments. On arrive
ainsi à une structure de forme comme celle indiquée par la figure 6.8 appelée pont thermique.
Figure 6.8 Pont thermique et sens des flux de chaleur dans les locaux
La chaleur passe préférentiellement par la cloison non isolée. On a ainsi réalisé un pont thermique
comme indiqué par la figure 6.8. Les ponts thermiques peuvent devenir une source de pertes
frigorifiques très importantes.
6.2.4 Vitrage et protection solaire
Le rayonnement solaire se compose de deux parties : le rayonnement direct I et le rayonnement diffus
D. La somme de ces deux rayonnements fait le rayonnement global ( G) qui tombe sur la façade.
G=I+D
Chaque façade Est, Ouest, Nord ou Sud reçoit approximativement le même rayonnement diffus que les
autres. Par contre, le rayonnement direct dépend essentiellement de l'orientation de la façade, de la
hauteur du soleil et de la période de l'année. La figure 6.9 montre l'importance du flux solaire global
reçu par des façades verticales orientées selon les quatre points cardinaux.
157
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Figure 6.9 Apports solaires par les façades verticales à 12° Nord (Ouagadougou)
L'énergie transmise est d'autant plus importante que l'ouverture est face à l'est ou à l'ouest. Voir figure
6.9.
En règle générale, on placera de préférence les ouvertures au Nord ou au Sud. La solution la plus
intéressante étant celle du Nord qui reçoit globalement moins d'énergie que toute autre direction dans
l'hémisphère nord.
On remarquera qu'il est possible de protéger les ouvertures du rayonnement direct en utilisant les
dispositifs d'ombrage. Le rayonnement diffus quant à lui n'a pas de direction privilégiée.
Un vitrage de qualité doit avoir une bonne transmission du rayonnement visible et une mauvaise
transmission du rayonnement infrarouge. De telles vitres sont dites sélectives. Elles éclairent sans
chauffer les locaux. On trouve de plus en plus dans le commerce les vitres sélectives appropriées aux
besoins des économies d’énergie dans le bâtiment telle que celles indiquées par le tableau ci-dessous :
Nature de la vitre
Vitrage simple clair de 5 mm
Vitrage simple à revêtement sélectif SOLIS
(1)
τvis
τ
τvis (1)
τglobal (1)
0,89
0,70
0,96
0,50
et global sont respectivement les coefficients de transmission du
rayonnement visible et du rayonnement global
Tableau 6.10 Caractéristiques de transmission des vitrages
158
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
Figure 6.10 Rayonnement solaire au sol
6.2.5 Eclairage artificiel
♦
Concept de base
L’éclairage est indispensable pour plusieurs raisons :
◊ La réalisation des tâches courantes (bureaux , salle d’opération des hôpitaux, lecture…),
◊ La création d’une ambiance, d’un climat (restaurants, bureaux, hôtels…),
◊ La valorisation de la beauté des choses (marchandises, vitrines, objets d’art…),
◊ La sécurité de nuit (rues éclairées, domiciles…).
Une politique d’économie d’énergie ne doit pas perdre de vue ces idées. Chaque type d’éclairage
nécessite un niveau d’éclairement. La figure 6.11 donne les ordres de grandeur à adopter pour
l’éclairage des locaux.
159
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Figure 6.11 Niveau d’éclairement requis par activité et dans les locaux
Pour évaluer les économies d’énergie dans un immeuble, ces données d’éclairement sont parfois
insuffisantes. On leur préfère les quantités d’énergie exprimées en W/m² d’énergie électrique installée.
Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de ce ratio appelé densité d’éclairage.
Type de locaux
Commerce, travail en industrie
Cliniques
Lieus de culte
Restaurants
Théâtres
Expositions
Bureaux
Couloirs, lieux de repos
Ecoles
Densité de puissance d’éclairage
[W/m²]
8,5
10,5
14
10,5
10,5
16
10,5
5,5
14
Tableau 6.11 Densité d’éclairage
Pour se situer dans les normes admises en matière de niveau d’éclairement et de densité de puissance
d’éclairage, on a recours aux lampes à économie d’énergie de plus en plus répandues dans le
commerce.
160
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
On distingue plusieurs sortes de lampe :
◊ Les lampes à incandescence. Ce sont les plus répandues mais aussi les moins
économes en consommation d’énergie,
◊ Les lampes fluorescentes. Les tubes sont bien connus mais les lampes compactes ne le
sont pas encore assez,
◊ Les lampes à décharge qui sont des lampes longue durée et, en général réservées pour
des applications particulières (éclairage de grands halls, par exemple). Elles sont moins
courantes que les deux premières citées. On distingue dans cette catégorie :
- les lampes à vapeur de mercure
- les lampes à vapeur de sodium haute pression
- les lampes à vapeur de sodium basse pression
- les lampes aux halogénures métalliques
Dans le bâtiment, on utilisera de préférence les lampes à fluorescence, soit compactes, soit à tube
droit ou en U.
Les lampes se caractérisent par :
◊ Leur durée de vie, le plus souvent en milliers d'heures,
◊ Leur efficacité lumineuse [Lumen/Watt],
◊ Leur puissance électrique,
◊ Leur indice de rendu des couleurs.
Lampes
A incandescence standard
A incandescence tungsten/halogène
A fluorescence en tube droit ou en U
A fluorescence compacte
A décharge à vapeur de sodium haute pression
A décharge à vapeur de sodium basse pression
A décharge à aux halogénures métalliques
A décharge à vapeur de mercure
efficacité lumineuse
[lm/W]
5 - 17
18 - 25
65 - 110
25 - 55
45 - 110
80 - 150
46 - 98
25 - 52
durée moyenne de vie
[heures]
1000 - 3000
1000 - 3000
7500 - 20 000
7500 - 20 000
7500 - 40 000
14 000 - 18 000
7500 - 20 000
16 000 - 24 000
Tableau 6.12 Efficacité et durée de vie des lampes
L'éclairage et la climatisation doivent être conçus ensemble pour arriver à des mesures d'économie
d'énergie bénéfiques. En effet, l’économie d’énergie électrique pour l’éclairage se double d’une
économie en climatisation du local.
161
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Dans ce contexte, les lampes à haute efficacité lumineuse doivent être préférées aux lampes de
rendement médiocres comme les lampes à incandescence. Malgré leurs prix élevés en comparaison
avec les lampes à incandescence, l'investissement lors d'une opération de remplacement par des
lampes compactes s'avère rentable, tant la différence d'efficacité et l'excédent de charge frigorifique
générée est important. Voir tableau ci-dessous.
Type de lampe
Lampe à incandescence
Tube fluorescent T12
Tube Fluorescent T8
Vitre sélective tintée (lumière solaire)
Chaleur générée
[Watts / 1000 lumens]
57
15
11,7
4,6
Tableau 6.13 Chaleur générée par les lampes
6.3 RATIOS DE CONSOMMATION ENERGETIQUE
6.3.1 Critères de performance du bâtiment
Pour réduire la consommation d'énergie dans un bâtiment, on se fixe des seuils. Ces seuils supposent
la connaissance des consommations types par poste. C'est le but recherché par l'établissement de
ratios de consommation.
Le tableau ci-après donne des ordres de grandeur des gains de chaleur par les composantes de
bâtiments.
Postes de gains thermiques
Gain solaire par les vitrages
[% d'énergie solaire tombant sur la vitre]
Renouvellement d'air
[m3/heure]
Conduction par les fenêtres kv
[W/m².K]
Conduction par les murs km
[W/m².K]
Eclairage
[W/m²]
Courant
Moyenne
Maximum à
rechercher
0,7
0,28
0,25
30
20
15
6
6
3
3
3
1,5
31
14
6
Tableau 6.14 Gains thermiques pour différents éléments du bâtiment
Le respect de ces ratios permet de réduire les apports de chaleur pour réduire la charge frigorifique.
162
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
6.3.1.1 Gains calorifiques par les vitrages
Dans les grands immeubles le vitrage est en général excessif. Le choix des vitres pour réduire la
charge frigorifique est donc important. Il faut tendre à réduire la chaleur solaire tout en maximisant le
transfert de lumière solaire dans l'immeuble. Contrairement à ce qu'on peut croire, le coût élevé des
vitres sélectives n'est pas un luxe dans le bâtiment climatisé. Le coût d’investissement initial sera
rapidement amorti à l’exploitation.
Pour mesurer l'efficacité d'un vitrage on dispose d'une série de coefficients proposés par les
techniciens du vitrage :
♦
le coefficient de transfert du rayonnement visible (τvis)
Il mesure le taux de transmission de la lumière visible par la fenêtre. On peut ainsi réduire les
apports calorifiques par les lampes en choisissant convenablement le vitrage. Une vitre de qualité
♦
doit être sélective. C'est-à-dire avoir un τvis élevé et un CO ou CGS faible.
Le coefficient d'ombrage (CO)
CO =
•
♦
Transmission de la vitre
Transmission d' une vitre standard (1)
La vitre standard correspond à une vitre simple claire de 5 mm d’épaisseur.
Le coefficient de gain solaire (CGS)
Il mesure la transmission totale du vitrage en pourcentage.
La relation suivante existe entre CGS et CO :
CO = 0,87 CGS
♦
La constante d'efficacité lumineuse (Ke)
Elle se définit par :
Ke = τvis/ CO
Ke est le mieux adapté pour définir la capacité d'un vitrage à éclairer sans chauffer le bâtiment.
C'est ce qui est indiqué par les exemples de vitrage ci-dessous :
163
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Vitre sélective teintée
Vitres réfléchissantes
τvis = 0,50 à 0,64
τvis = 0,05 à 0,35
CO = 0,44 à 0,47
CO = 0,15 à 0,40
Ke ≈ 1
Ke = 0,25 à 1
Tableau 6.15 Caractéristiques globales des vitrages
Le tableau ci-après donne les propriétés de quelques vitrages proposés dans le commerce.
τvis
CGS
CO
Ke
Clair simple (e ≈ 5 mm)
0,89
0,83
0,96
0,93
Clair simple avec revêtement sélectif
0,70
0,45
0,50
1,40
Clair simple avec revêtement sélectif gris
0,40
0,38
0,44
0,91
Type de vitrage
Tableau 6.16 Propriétés de vitrages utilisés dans le bâtiment.
6.3.1.2 Rapport des surfaces des ouvertures sur les surfaces opaques (ROM)
Un immeuble dont la surface des ouvertures est importante aura une charge frigorifique élevée. C’est
pourquoi on cherche autant que possible à diminuer la surface et le nombre des ouvertures. Dans les
petits immeubles, on tendra vers les ratios suivants :
ROM = 1/3 murs sud et nord
ROM = 1/4 murs est et ouest
Pour les grands immeubles dont le vitrage et les ouvertures peuvent dépendre plus de l’esthétique que
des considérations de consommation énergétique, on donnera une priorité à l’utilisation de vitres
sélectives.
6.3.1.3 Réduction des gains par les murs et les toitures
Bien que la majeure partie de la chaleur solaire passe par les vitrages dans les grands immeubles, les
murs et la toiture contribuent également à accroître les gains solaires de façon significative. Les
méthodes utilisées pour réduire ces gains de chaleur sont :
164
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
◊ L'utilisation de revêtements clairs,
◊ L'ombrage du toit et des murs par la végétation et autres masques,
◊ L'isolation.
Des objectifs réalistes à atteindre par éléments de construction sont proposés ci-dessous.
Type de structure
Flux thermique habituel (1)
[W/m²]
180
100
130
Fenêtres vitres simples
Murs
Toitures
Flux maximal
[W/m²]
50
35
40
(1) Transfert de chaleur dû au rayonnement solaire et transmission atmosphérique
pour des parois exposées en climat tropical chaud et ciel clair.
Tableau 6.17 Flux de chaleur à travers les structures du bâtiment
6.3.2 Ratios de consommation d’énergie dans le bâtiment
Les mesures répertoriées ci-dessus ont toutes le même but : réduire la consommation énergétique due
à la climatisation. On estime l'efficacité globale des options des immeubles grâce à la consommation
d’énergie par unité de surface habitable Ro :
R
o
=
Consommation électrique [kWh]
Surface climatisée
Pour plus d’objectivité dans l’analyse de la consommation énergétique, il faut associer à ces
paramètres purement techniques, quelques paramètres financiers tels que le coût total d'exploitation
annuelle de l'édifice et son coût de réalisation.
Comme l'epérience le montre, les ratios financiers en coût d'exploitation par an et par m2 de surface et
le coût de réalisation par m2 de surface peuvent s’avérer nécessaire comme l’expérience le montre
pour convaincre de l’opportunité d’un investissement pour réduire la consommation d’énergie.
L'investissement initial lors de la construction d'un édifice I [F/m2] peut paraître convenable lorsqu'on ne
regarde que son seul coût de réalisation. Si on prend en compte les dépenses liées à l'exploitation
pour entretenir sa climatisation, son éclairage et tous les autres postes électriques, il peut alors s'avérer
plus intéressant d'augmenter les dépenses d'investissement (isolation, protections solaires, éclairage,
embauche et utilisation d’un technicien...) pour ramener ces coûts d'exploitation à un niveau
acceptable.
165
LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------
Le tableau 6.18, extrait du code de qualité énergétique Ivoirien, donne des ordres de grandeur du ratio
R 0.
Type d'activité
Grand immeuble de bureau
Référence
[kWh/m²]
160
Petit immeuble de bureau
150
Grand hôtel
180
Hôpital
250
Centre Commercial
200
Appartement (dans grand immeuble)
130
Tableau 6.18 Ratios proposés par le code Ivoirien de qualité énergétique
LISTE DES SYMBOLES
Q
k
S
T
qv
x
V
ε
σ
Φs
λ
cv
ρ
hi
he
e
166
Quantité de chaleur
Coefficient global d’échange d‘une paroi
Surface des parois
Température
Débit volumique
Humidité relative
Volume
Coefficient d’absorption
Constante de Stefan-Boltzman
Flux solaire
Coefficient de conductivité thermique
Chaleur massique
Masse volumique
Coefficient de convection interne
Coefficient de convection externe
épaisseur de la paroi
-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES
BIBLIOGRAPHIE
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constructions solaires. Réglementation - Notions et calculs pratiques, Edition du moniteur des
travaux pratiques, 1967.
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IEPF, Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments, PRISME, Actes de l’atelier de Yaoundé du 10 mai
au 4 juin 1993.
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COULIBALY Y., Cours de Climatisation, Polycopié de l’EIER, 1997.
[4]
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solaires, Hors Série, Suppléments au Numéro 116 et 117.
[5]
KEMAJOU A., Confort thermique en situation réelle et mesures d’économie d’énergie dans les
bâtiments tertiaires au Cameroun, Thèse de Doctorat De L’ENSP, Yaoundé, 1995.
[6]
JUDET de la COMBE A., Le conditionnement de l’air, procédés et calculs utilisés en
climatisation. Encyclopédie du froid, Baillère J.B. et fils Paris,1963.
[7]
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conception active sous climat chaud et sec ou chaud et humide, 1999.
[8]
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Développement du Ministère de la coopération française, Programme Rexcoop, 1986.
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TRANE, Trane Air Conditioning Manuel, Trane Company la crosse, Wisconsin, North Américan
press, Milwaukee, WIS. 1995
[10]
ANDREIEFF de NOTBECK G., Manuel du conditionnement d'air Tome II, Pyc-Edition, 1978.
[11]
CARRIER, Manuel Carrier 1ère et 2ème partie, Carrier International LTD, New-York, Carrier
corporation, 2ème édition, 1960.
[12]
PORCHER G., Cours de climatisation, Les éditions parisiennes chaud-froid-plomberie, CFP,
1993.
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DUMINIL M., Air humide, Techniques de l'Ingénieur B 2230-1.
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MAAKE et ECKERT, Le Nouveau Polhman - Manuel technique du froid, Pyc édition, 1988.
[15]
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l'AICVF, Pyc Edition, 1991.
[16]
COSTIC, EDF, FNB, Climatisation et développement, Guide technique de la climatisation
individuelle, SEDIT Editeur, 1995.
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AFME, Guide d’aide à la conception de bâtiments climatiques aux Antilles, 1989.
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KOTZAOGLANIAN, Manuel du Dépanneur. Manuel pratique de dépannage frigorifique et
électrique des installations à détente directe et à condensation par air, Imprimerie Copie-Couleur,
Gap, 2ème édition.
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PROMOTELEC, Locaux d’habitation, Etude thermique et isolation, 4ème édition, 1995.
[20]
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individuelle (Guide pratique), SEDIT Editeur, 1995.
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Collection des guides de l’AICVF, PYC Edition, Première édition 1992.
[22]
Ecole des Mines de Paris, Casamo-Clim - Logiciel de calcul de confort thermique, Cahier de
recommandations et compléments scientifiques, Ademe Documents Pédagogiques, 1990.
168
Opérateur
principal
de
l’Organisation
internationale
de
la
Francophonie, l'Agence
intergouvernementale de la Francophonie regroupe 50 Etats et gouvernements *, répartis sur les
cinq continents, rassemblés autour du partage d'une langue commune : le français. Avec les cinq
autres pays qui participent aux Sommets de la Francophonie, ce sont au total 55 Etats et
gouvernements qui constituent la communauté francophone, soit un pays sur quatre dans le monde
regroupant plus d'un demi milliard de personnes. Parmi eux, 170 millions font un usage plus ou moins
intensif du français dans leur vie de tous les jours.
Fondée en 1970, avec pour devise : égalité, complémentarité, solidarité, l'Agence de la
Francophonie mène des actions de coopération multilatérale dans de nombreux domaines: éducation
et formation, culture et multimédia, nouvelles technologies de l’information et de la communication,
coopération juridique et judiciaire, droits de l’Homme et démocratie, développement et solidarité
économiques, énergie et environnement.
* 50 membres :
Albanie, Bénin, Bulgarie, Burkina Faso, Burundi, Cambodge, Cameroun, Canada, Canada-Nouveau
Brunswick, Canada-Québec, Cap-Vert, Centrafrique, Communauté française de Belgique , Comores,
Congo, R.D. Congo, Côte-d'Ivoire, Djibouti, Dominique, Égypte, France, Gabon, Guinée, GuinéeBissau, Guinée-équatoriale, Haïti, Laos, Liban, Luxembourg, ARY Macédoine, Madagascar, Mali,
Maroc, Maurice, Mauritanie, Moldavie, Monaco, Niger, Roumanie, Rwanda, Sainte-Lucie, São Tomé et
Príncipe, Sénégal, Seychelles, Suisse, Tchad, Togo, Tunisie, Vanuatu, Vietnam.
Par ailleurs, le Royaume de Belgique est membre du Sommet de la Francophonie. La Lituanie, la
Pologne, la République Tchèque et la Slovénie y sont observateurs.
Agence intergouvernementale de la Francophonie
13 Quai André Citroën - 75 015 Paris, Tél : (33) 1 44 37 33 00 - Télécopie : (33) 1 45 79 14 98
Site web : http://agence.francophonie.org
169
La Francophonie au service du développement durable
L'Institut de l'énergie et de l'environnement de la Francophonie (IEPF), organe subsidiaire de l'Agence
intergouvernementale de la Francophonie, est né en 1988 de la volonté des chefs d'État et de
gouvernement des pays francophones de conduire une action concertée visant le développement du
secteur de l'énergie dans les pays membres. En 1996 cette action a été élargie à l'Environnement.
Basé à Québec, l'Institut a aujourd'hui pour mission de contribuer au renforcement des capacités
nationales et au développement de partenariats dans les domaines de l'énergie et de l'environnement.
Meilleure gestion et utilisation des ressources énergétiques, intégration de l'environnement dans les
politiques nationales dans une perspective durable et équitable, tels sont les buts des interventions
spécifiques de l'IEPF – formation, information, actions de terrain et concertation – menées en synergie
avec les autres programmes de l'Agence Intergouvernementale de la Francophonie et notamment ceux
issus du chantier « Une francophonie solidaire pour soutenir les efforts du développement ».
La programmation mise en œuvre par l’équipe des collaborateurs de l’IEPF s’exprime dans 7 projets
qui fondent ses activités.
•
•
•
•
•
•
•
Politiques énergétiques
Énergie rurale
Maîtrise de l’énergie
Diffusion des outils méthodologiques de maîtrise de l’environnement
Appui à la mise en œuvre des conventions internationales
Prospectives
Information pour le développement durable
Adresse :
170
56, rue Saint-Pierre, 3e étage, Québec (Qué.) G1K 4A1 Canada
Téléphone : (1 418) 692 5727 Télécopie : (1 418) 692 5644
Courriel : [email protected]
Site web : http://www.iepf.org
EFFICACITE ENERGETIQUE
DE LA CLIMATISATION EN REGION TROPICALE
L'énergie électrique est précieuse dans les centres urbains des Pays du Sud. Il est donc
primordial de ne pas la gaspiller lors de la climatisation des immeubles tertiaires.
Ce guide constitue une première réflexion sur la mise en œuvre
- d'une conception des équipements adaptée aux besoins des pays tropicaux
- d'une exploitation soucieuse d'une utilisation rationnelle de l'énergie.
Par ailleurs, ce guide s'inscrit dans un projet plus global qui vise à :
- jeter les bases d'une réglementation thermique minimale.
En voici la table des matières :
Tome I : conception des nouveaux bâtiments
1 Une méthode de calcul simplifiée du bilan thermique de climatisation en climat tropical
2 L'évaluation des coûts globaux d'exploitation
3 Le choix des systèmes de climatisation : critères généraux
4 Le choix d'un climatiseur de local
5 Le choix d'une climatisation centralisée
6 La conception thermique des bâtiments climatisés : critères de performance
Tome II : exploitation des installations existantes
1 Le diagnostic global d'une installation de climatisation
2 L'amélioration d'un climatiseur
3 L'amélioration d'une installation de climatisation centralisée
4 L'amélioration de la machine frigorifique associée
5 Un contrat de maintenance avec clause « énergie »
6 Vers une réglementation thermique minimale de l'exploitation des bâtiments
et des systèmes
CONCEPTION DES NOUVEAUX BATIMENTS
- fournir des outils concrets aux acteurs de terrain, prescripteurs et techniciens,
TOME 1
- préparer le contenu de programmes de formation continue,
TOME 1 :
CONCEPTION DES NOUVEAUX
BATIMENTS
Ministère de la Région wallonne