Sommaire République Tunisienne Ministère de L’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Sidi Bouzid Memoire de Fin d'études Presenté au Département Génie Electrique Parcours : Mastere EnREE Thème: (Problèmes de confort et d’électrification d’un bâtiment industriel et approche d’amélioration et d’optimisation Periode du stage: du ................. AU .................... Travail réalisé au sein de : SICAD COALA Sidi Bouzid Réalisé par : Guesmi Lassad & Hamdi Slah Encadré par : Mr. Derbeli Saber Mme. Gesmi ...... Année universitaire : 2019 - 2020 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 1 Sommaire REMERCIEMENTS ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 2 Sommaire Sommaire ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 3 Liste des tableaux Liste des figures ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 4 Liste des tableaux Liste des tableaux ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 5 Nomenclature Nomenclature (liste des abréviations) Notation Designation MCD Modèle conceptual des données ……………. ………………………………… ............. ………………………………… ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 6 Introduction générale Chapitre 1 Chapitre1 Présentation du cadre du stage I. Présentation de la société II. Problématique ou contexte du stage Chapitre 2 Chapitre2 Notions théoriques (facultatif) Chapitre 3 Chapitre3 Tâches effectuées Chapitre 4 Chapitre4 L’apport du stage I. Au niveau de l’entreprise II. Au niveau des connaissances techniques Conclusion générale Bibliographie Webographie Annexes ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 7 Plan du travail du projet PFE (Problèmes de confort et d’électrification d’un bâtiment industriel et approche d’amélioration et d’optimisation) Chap I : Audit énergétique 1/ Démarche d’un audit du bâtiment industriel (SICAD COALA) Evaluation de l’efficacité énergétique Identification des problèmes Solutions proposées Investissements 2/ Bilan thermique du bâtiment industriel (SICAD COALA) Calcul du bilan thermique Répartition du bâtiment en bloc Total du bilan thermique Chap II : Modélisation d’électrification du bâtiment industriel Dimensionnement du système d’électrification (Eclairage – Alimentation -Climatisation – Ventilation…) Défauts et les dégâts du réseau du distribution Influence du réseau du distribution sur les équipements Conception des armoires électriques et protection Chap III : Approche d’amélioration et d’optimisation Amélioration et optimisation (performance et efficacité du bâtiment) ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 8 Présentation générale de la société I. Introduction : La Société Industrielle et Commerciale d’Appareils Domestiques « SICAD COALA » est une entreprise industrielle privée ayant la forme juridique d’une société à responsabilité limitée S.A.R.L. Elle est spécialisée dans la fabrication d’Appareils Domestiques de Chauffage, Ventilation et de Climatisation. II. Historique de l’entreprise SICAD COALA : « SICAD COALA » a été crée en 1980, mais elle n’a pu démarrer en activité continue qu’en 1986, reprise par son nouveau gérant M. AMRI Taher. L’année 1986 a représenté la date du changement véritable de l’entreprise, un changement qui a touché plusieurs cotés, au niveau des techniques de fabrication, au niveau des nouvelles Technologies de l’organisation, au niveau de l’effectif et aussi au niveau de la stratégie de la production. Ainsi avec son Directeur Gérant, « SICAD COALA » a pu se débarrasser de plusieurs problèmes vers l’acquisition de la réussite et son efficacité. Elle était spécialisée dans un seul produit qui est le convecteur électrique et aussi comprend une seule unité de production. Dés 1988 « SICAD COALA » a entrepris de diversifier ses activités vers d’autres produits différents. III. Domaines d’activité et principaux produits : SICAD COALA est spécialisée dans la fabrication d’Appareils Domestiques de Chauffage, Ventilation et de Climatisation. En effet, elle est constituée de trois (03) unités différentes A, B et C et de Quatre (04) Bureaux régionaux : Tunis, Sfax, Sousse et Mednine. Chaque Unité comprend une Administration et une Unité de Production. Sa production est diversifiée et variée d’une unité à une autre. Même dans une seule unité de production on trouve des gammes de produits différentes. L’unité de production - A - : est spécialisée en Radiateurs Electriques Portables, des Réchauds Electriques, de Cuisson, Inox et Emaillés, des Fours Electriques, des Ventilateurs de bureaux (V35, V40), des Ventilateurs sur colonnes et des Ventilateurs plafonniers, des Chauffages à pétrole. L’unité de production - B - : est spécialisée particulièrement dans la fabrication des résistances de toutes formes et de puissances variées et des thermoplongeurs …Il faut noter qu’une partie de sa production est destinée aux unités de production A et C en cas de besoin, le reste sera vendu sur commande des clients. La production comprend un plan directeur de qualité et de processus de fabrication. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 9 L’unité de production - C - : produit des Radiateurs à gaz et à bain d’huile, des appareils de chauffages à gaz et des Climatiseurs Monoblocs et Split système de diverses puissances. L’effet saisonnier reste toujours l’élément remarquable dans l’opération de la production, avec l’existence d’un plan directeur de production et d’un processus de fabrication Figure 1 : Produits de la société SICAD COALA IV. Organigramme interne de la société : A l’intérieure de la société on trouve un groupe de services qui sont repartis selon les diverses responsabilités prescrites par le directeur Gérant. Au sein de l’entreprise divers services existent, on trouve un service Administratif et Juridique, un service Assurance Qualité, un service Commerciale, un service Comptabilité, un service Financier, un service Achats, un service Gestion, services maintenance…etc. Cette diversité de services suppose une diversité au niveau de leurs fonctions, une diversité qui apparait au niveau du rôle de chaque service dans la démarche de l’entreprise et le fonctionnement de l’administration de la société « SICAD-COALA »,Les différents services sont distribués au niveau des trois unités, on trouve des services communes entre les trois unités (service Administratif et Juridique, services Achat, services maintenance…) d’autres services sont indépendants entre les unités (service Commercial, service Comptabilité, service Gestion) ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 10 Service achats Chef d’atelier Chef d’équipe Service commercial Gestion de stock et méthodes Responsable unité de production Service contrôle de gestion Direction Général Service financier Ouvrier s Section de gestion administrative Magasinier Service étude * Service administratif et juridique Service comptabilité Service assurance qualité Service marketing Service maintenance Service étude Service après-vente Figure 2 : Organigramme administratif des services ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 11 Chapitre I : Audit énergétique 1. Audit de bâtiment industriel : 1.1. Définition L’audit est défini par la NF EN 16247-1 comme : « Un examen et une analyse méthodologique de l’usage et de la consommation énergétique d’un site, bâtiment, système ou organisme ayant pour objet d’identifier les flux énergétiques et les potentiels d’amélioration de l’efficacité énergétique en définissant les actions nécessaires à la réalisation et d’en rendre compte. » Il comporte deux volets : une analyse de la consommation d’énergie l’élaboration d’un plan visant à réduire ladite consommation. 1.2. Objectif L’audit a 4 objectifs : 1. Évaluer l’efficacité énergétique du bâtiment ; 2. Mettre en lumière les problèmes ; 3. Proposer des solutions en rapport avec les caractéristiques et les usages du bâtiment industriel ; 4. Chiffrer les investissements et les économies. L’audit énergétique d’un bâtiment industriel permet de rationaliser les besoins en énergie en faisant une analyse préalable de la consommation poste par poste. Il doit être réalisé par une entreprise ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 12 compétente, laquelle doit vous proposer un éventail de solutions à implémenter. Toutefois, ne vous voilez pas la face : pour réaliser des économies substantielles, vous devrez forcément passer par des travaux de rénovation. L’audit est réalisé selon la méthodologie prévue par les normes 16247-1/2012 et 16247-3/2014. Cette prestation comprend les actions suivantes : Prise de connaissance des installations avec rapport d’analyse préalable, après échanges entre industriels et diagnostiqueurs Réalisation de bilans énergétiques à partir de données existantes et de campagnes de mesures Identification et quantification des gisements d’économies d’énergies potentielles Recherche de solutions d’amélioration des installations et des pratiques énergétiques et intégration des énergies renouvelables Définition des moyens techniques et/ou méthodes de conduite permettant d’y parvenir Élaboration d’un plan de comptage et de suivi des consommations L’audit énergétique est un diagnostic qui vise à mettre en évidence les points forts et faibles du bâtiment en termes de performances énergétiques. À l’issue d’un état des lieux détaillé, un ensemble de solutions d’améliorations chiffrées tant sur le plan énergétique qu’économique et environnemental est proposé. L’audit énergétique comprend des propositions chiffrées de programmes d’améliorations énergétiques du site : amélioration du bâti (isolation, remplacement des menuiseries, protections solaires), mise en place de systèmes plus performants (chaudière, ventilation, éclairage, énergies renouvelables si le site le permet), sensibilisation aux économies d’énergie (usages : température, réglages). L’audit énergétique permet donc aux copropriétaires de la résidence de mettre en œuvre rapidement des actions de maîtrise des consommations d’énergies, efficaces en matière de réduction des émissions de CO2 et rentables financièrement. L’audit est un outil de collecte d’informations générales et techniques. Cette phase est capitale puisqu’elle constitue le socle du bon déroulement de l’audit. On distingue trois niveaux de sources d’informations : documents à analyser, résultats de l’enquête de confort, données « terrain ». ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 13 2. Passage d'un audit électrique : Le processus d’un audit énergétique est le suivant : 1. Choix du prestataire et prise de contact ; 2. Réunion préliminaire ; 3. Collecte des données sur le terrain ; 4. Analyse ; 5. Rédaction du rapport ; 6. Clôture de l’audit avec présentation des résultats ; Dans son rapport, l’entreprise qui réalise l’audit vous propose un panel de solutions pour économiser de l’énergie. Celles-ci sont en général hiérarchisées. Les premières sont faciles à implémenter et ne coûtent pas chères. Les modifications structurelles ne seront envisagées qu’en dernier recours, si les pertes en énergie mettent la pérennité de votre entreprise en danger. Le processus d’audit doit être : 1. Approprié au domaine d’application, aux objectifs et au degré d’approfondissement pertinent 2. Exhaustif : englobe l’ensemble des usages énergétiques 3. Représentatif : en vue de recueillir des données fiables et pertinentes 4. Utile : par l’analyse coût-efficacité des opportunités d’économies 5. Traçable et Vérifiable La Visite détaillée du site : Bâti avec caméra infra-rouge (toiture, sous-sol), équipements (chauffage, eau chaude sanitaire, ventilation, éclairage), usages. Les données terrain du site doivent relevées sur site par un chargé de projet accompagné d’un représentant du syndic et du président du conseil syndical ou de l’un de ses membres. Cette étape constitue la plus grande partie du travail de l’auditeur : ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 14 a) Appréciation de l’environnement extérieur et des éléments ayant des incidences sur les consommations énergétiques (localisation, orientation du bâtiment, masques solaires, mitoyenneté, éléments architecturaux). b) Inspection détaillée du bâti avec un état des lieux des sous-sols, de la toiture, des parois extérieures, des menuiseries. Le recours à la caméra thermique a généralement lieu pour la mise en évidence des ponts thermiques. c) Bilan des systèmes comprenant le chauffage, le refroidissement, l’eau chaude sanitaire, la ventilation, l’éclairage, et autres usages électriques. Cette étape permet de définir l’état général et la conformité réglementaire de la construction, de ses installations techniques et de situer les consommations globales avec le parc existant. 3. Les paramètres utilisés: Un audit vous permettra de réaliser une économie d’énergie pouvant aller jusqu’à 30%. Encore faut-il qu’il soit réussi. Pour que votre audit soit un succès, vous devez : Impliquer tout le monde : de la direction jusqu’aux équipes techniques. Vous pourrez être amenés à créer un poste spécifique de Responsable Énergie à la suite de l’audit ; Avoir un cahier des charges précis : cherchez-vous à mettre en œuvre des solutions à bas coût ? À repenser totalement votre mode de consommation quitte à faire des investissements lourds ? Quels sont les postes de dépense prioritaires ? Autant de questions qui vous aideront à choisir les solutions à mettre en œuvre ; Bien choisir votre prestataire : il doit être qualifié pour les activités de votre secteur et être capable de réaliser un audit selon la norme NF EN 16247-2 (bâtiment), NF EN 16247-3 (procédés industriels). L’entreprise doit placer l’énergie au centre de ses priorités et mobiliser tous les services existants dans ce sens. Il est aussi envisageable de créer des postes de Responsables énergie opérationnels afin de permettre à l’entreprise d’être plus efficace. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 15 Dans une structure où l’énergie est utilisée en grande quantité, le volet énergétique représente un potentiel d’économies qui peut atteindre les 30%. Ainsi, le succès du projet d’audit dépend de l’implication de la hiérarchie et la prise de conscience de l’importance de la démarche. Il est possible de prendre contact avec une cellule d’accompagnement pour mettre en place de véritables process pour réguler l’utilisation de l’énergie selon les besoins de l’entreprise Remarques : Il ne faut pas confondre l’audit énergétique avec : Le certificat PEB (Performance Energétique des Bâtiments) qui permet d’attribuer à une habitation un label de consommation que l’on peut comparer à celui des appareils électroménagers. C’est une démarche obligatoire lors de la vente ou la location d’une habitation. L’audit de chauffage, qui est obligatoire pour les chaudières qui ont plus de 15 ans. Selon la puissance du chauffage utilisé, il doit soit être effectué par un chauffagiste agréé, soit par un conseiller chauffage PEB. 4. Les trois étapes de l’audit énergétique La préparation : avant la visite de l’auditeur, récoltez des informations sur votre projet : année de construction, factures énergétiques, type de chauffage, attestation d’entretien de chauffage, plans de l’habitation, etc. L’audit : il démarre par l’analyse des informations que vous avez recueillies sur votre projet. Ensuite, dans le cadre d’un audit complet, l’auditeur vérifie : La qualité de l’isolation des parois extérieures Le bon fonctionnement de l’installation électrique et de chauffage, du système de production d’eau chaude et du système de ventilation La bonne utilisation de vos différents équipements (détecteurs de présence ou mouvement, thermostat, vannes thermostatiques, etc.) Le rapport : Toutes les données collectées lors de l’audit sont encodées dans un logiciel spécialisé. Cette application permet d’accorder un label de A à E à tous les éléments analysés. L’auditeur vous fait alors des recommandations et établit une projection de ce que serait votre ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 16 habitation si vous suiviez ces recommandations. Pour conclure, l’auditeur rédige un rapport final et y ajoute éventuellement ses propres remarques. 5. Bilan énergétique: Introduction Afin d'effectuer le bilan thermique, il a été important de pouvoir répertorier les différents matériaux déjà en place tel que les fenêtres, la nature des façades, mais également de pouvoir définir le type de chauffage en place dans le bâtiment et la ventilation. Nos choix se sont orientés de manière à obtenir un bâtiment très peu isoler avec donc des pertes thermiques assez importantes, afin que la rénovation que nous proposerons soit significative. De plus, nous avons cherché à rester les plus logiques possible quand aux constituants normalement utilisé pour ce type de bâtiment. Dans ce chapitre on fait le bilan thermique d’un bâtiment. En effet, on commence par identifier les différents modes de transfert de chaleur, par la suite en fait la démarche de calcul de bilan frigorifique Choix des matériaux Pour les fenêtres, qu'elles soient dans les bureaux, dans les chambres, ou dans les salles de traitement, nous avons choisi de prendre un double vitrage traditionnelle (air entre les deux vitres). La porte d'entrée, quand à elle, est constituée par deux portes vitrés coulissantes. Pour les murs, nous avons choisi de prendre un mûr plein sans isolation particulière d'une épaisseur de 39 cm. Pour la toiture, nous avons choisi de partir sur un toit terrasse donc non incliné comme c'est souvent cas pour les hôpitaux. La toiture est en béton plate non isolé. Pour le plancher nous sommes parti sur un plancher sur cave en béton non isolé. La Figure 1 suivante répertorie l'ensemble de ces caractéristiques telle qu'elles apparaissent dans le logiciel. Nous y avons ajouté les résistances thermiques associées et celle préconisées par la réglementation en guise de comparaison. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 17 Figure 1 : Données concernant les surfaces de déperditions an vue de la simulation thermique (Source : http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_10948.htm) Comme nous avons pu le voir, les ponts thermiques sont difficilement quantifiables. En revanche, les déperditions qu'ils provoquent sont conséquentes nous devons donc les prendre en compte. Il revient très souvent dans la littérature que les ponts thermiques représentes environ 20 % des pertes de chaleur. Ainsi nous intégrerons cette valeur en fin de calcul (Source [1], [2]). Pour finaliser le bilan thermique nous avons renseigné les conditions climatiques du lieu d'implantation du bâtiment puis les températures de consignes du bâtiment ainsi que le débit de ventilation (Figure 2). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 18 Figure 2 : Suite des données de la simulation thermique (Source : http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_10948.htm) La température moyenne au sein d'un hôpital doit être de 24 °C (Source : Énergie +) et le taux de renouvellement d'air de 2 vol/heure (Source : Énergie +). Ce taux de renouvellement de deux volumes par heure est assez important et va engendrer une consommation d'énergie assez importante. Nous ne différencierons pas ici les différences de ventilation, en effet elle devrait être par exemple moins importante dans les locaux comme le hall ou les bureaux alors qu'elle devrait être plus importante dans les salle d'opération. Le bilan thermique obtenue est présenté dans la Figure 3 ci-dessous. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 19 Figure 3 : Résultats du bilan thermique (Source : http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_10948.htm) Nous pouvons ainsi quantifier notre énergie consommée pour le chauffage et les pertes associées. Les valeurs obtenues vont nous permettre part la suite de mettre en place les matériaux et technologies nécessaires pour améliorer ce bilan. L'application sera alors réutiliser pour observer les progrès réalisés. Nous verrons ainsi le gain énergétique associé que nous retranscrirons en gain financier, nous permettant ainsi de réaliser des études de rentabilité des matériaux choisis. Pour le moment notre bâtiment utilise une chaudière d'une puissance de 425 W et consomme plus de 2 800 MWh/an. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 20 Détermination des besoins thermiques d'un bâtiment B = G x V x ΔT G : coefficient global de déperdition (W/m3.°C) V : Volume du bâtiment considéré (m3) ΔT : différence de température entre l'extérieur et l'intérieur (°C) B : Besoins thermiques (W) G dépend dela qualité thermique des : murs fenêtres toiture sou-sol ventilation Les caractéristiques thermiques du bâtiment : Elles sont mesurées par le coefficient G*, coefficient global de déperdition, qui caractérise l'ensemble des déperditions de chaleur d'un logement. Le tableau ci-après mentionne les valeurs moyennes de ce coefficient qui montrent que, pour un même volume chauffé, le besoin peut varier de 1 à 3. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 21 * Elles sont aujourd'hui caractérisées, pour les logements neufs, par un coefficient B, qui prend en compte les apports de chaleur "gratuits" dues à l'ensoleillement. ** Les exigences de la réglementation différent selon qu'il s'agit de logements chauffés par l'électricité ou par une autre énergie. Pour un bâtiment de 150 m², chauffé à 19°C et une hauteur sous-plafond de 2,70 m, le volume est de 405 m². Température extérieure de -15°C et intérieure de 19°C, soit ΔT = 34°C. d'où des besoins de : 1.3 405 34 17901W sanitaire). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) 18KW (hors production d'eau chaude Page 22 2 - Consommation théorique de combustible pour ce bâtiment C = (24 x B x Dju x i ) / (ΔT x rendement global annuel x PCI) 24 : nombre d'heures chauffées par jour B : besoins (voir point 1) Dju : Degré jour unifié i : intermittence (prend en compte les réduits de chauffage) ΔT = Tintérieure - Textérieure Rendement global de production sur l'année PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur (pouvoir de combustion inférieur du combustible (kWh/kg ou kWh/litre) Dans le cas du fioul ou du bois, la formule tiendra compte du PCI afin d'avoir une consommation en litreou kg de combustible. Dans le cas du gaz, il n'y aura pas de PCI et ainsi les résultats seront direcetement en kWh. Détermination des paramètres de la formule : Constantes : 24 (h) B (kW) i (sans unité) ΔT (°C) intermittence : Si réduit de nuit entre 22h et 6h de -4°C (15°C au lieu de 19°C) i = (Dju x 24h - 8h x 4°C x nb jours de chauffe par an) / (Dju x 24h) i = (2700 x 24 - 8 x 4 x 225)/(2700 x 24) i = 0,88 rendement : ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 23 PCI fioul = 10 kWh/litre PCI bois = 1 710 kWh/stère PCI plaquettes humides : 2,5 kWh/kg PCI plaquettes sèches = 3,3 kWh/kg PCI rondins = 2,8 kWh/kg PCI Gaz (en kWh PCI puis x 1,11 pour transformer le PCi en PCS qui sert à la facturation) Cas du Gaz : (24 x 18 x 2700 x 0,88) / (34 x 0,80) = 37 736 kWh PCI/an Sur facture : 37 736 x 1.11 = 41 887 kWh PCS/an Cas du fioul : (24 x 18 x 2700 x 0,88) / (34 x 0,80 x 10) = 3 773 litres /an Cas du rondin : (24 x 18 x 2700 x 0,88)/(34 x 0,75 x 1710) = 23,5 stères/an ou 40 252 kWh/an Cas de plaquettes humides : (24 x 18 x 2700 x 0,88)/(34 x 0,75 x 2,5) = 16 100 kg Cas de plaquettes sèches : (24 x 18 x 2700 x 0,88)/(34 x 0,75 x 3,3) = 12 197 kg Cas du rondin : (24 x 18 x 2700 x 0,88)/(34 x 0,75 x 2,8) = 14 375 kg ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 24 Types de transfert de chaleur On a trois modes de transfert de chaleur : par conduction, par convection et par rayonnement. 1- Transfert par conduction : On définit la conduction le transfert de chaleur à travers un solide. Il réagit par la Loi de Fourier : La constante de proportionnalité λ est appelée conductivité thermique du matériau. Elle s'exprime en J. m-1. K-1. s-1 ou, soit des W. m-1. Figure 2 : phénomène de conduction. En effet ; la conduction est le moyen par lequel la chaleur circule de proche en proche dans un matériau ou passe d'un corps à un autre en contact physique direct, par simple interaction moléculaire. Les molécules du secteur le plus chaud se heurtent vivement entre elles et transmettent leur énergie de vibration aux molécules voisines. Le flux de chaleur va toujours des zones chaudes vers les zones froides. Lorsque les molécules s'échauffent à la surface d'un corps sous l'effet du rayonnement solaire, elles transmettent cette chaleur aux molécules voisines ; et de proche en proche, la chaleur captée se répartit dans toute la masse du corps, jusqu'à atteindre à l'uniformité des températures. La vitesse de progression du flux de chaleur à travers un corps, sa conductivité thermique, dépend de l'aptitude de ses molécules et de ses électrons à recevoir et à transmettre la chaleur. Par exemple, un métal paraîtra plus froid au toucher qu'un morceau de bois, pourtant à la même température. Cela tient au fait que le métal a une conductibilité plus élevée et que la chaleur s'écoule de ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 25 la surface vers l'intérieur plus rapidement que dans le bois. La sensation de froid est d'autant plus intense que la chaleur retirée de la main vers le métal par conduction est plus importante. Les gaz sont généralement de mauvais conducteurs. Aussi, les matériaux comportant de minuscules cellules d'air en grand nombre sont habituellement de mauvais conducteurs et donc de bons isolants. Les matériaux d'isolation utilisés dans la construction illustrent bien cela: ils renferment une multitude de petits espaces d'air et se caractérisent par leur légèreté. 2- Transfert par convection : On définit la convection comme : 1. l'échange de chaleur entre une surface et un fluide mobile à son contact, 2. le déplacement de chaleur au sein d'un fluide par le mouvement d'ensemble de ses molécules d'un point à un autre. Le phénomène est réagit par la Loi de Newton : Φ= h.S. (Ts-Tf) h : coefficient d’échange thermique par convection (W/m2K). S : surface d’échange (contact solide- fluide) (m2). Ts : température surface solide(K). Tf : température de fluide (K). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 26 Figure 3 : phénomène de convection. Dans le processus de convection, la chaleur se déplace comme toujours des zones chaudes vers les zones froides. Lorsque les molécules d'un fluide froid, tel que l'eau ou l'air, viennent au contact d'une paroi chaude, une partie de l'énergie de vibration animant les molécules superficielles du solide se communique aux molécules voisines du fluide. La quantité de chaleur ainsi transmise est proportionnelle à la différence de température entre paroi et fluide. Bien entendu, c'est par conduction à travers la matière solide que la chaleur arrive à la surface de la paroi et là, le fluide s'échauffe, se dilate, s'allège et s'élève. De nouvelles molécules plus froides remplacent continûment les molécules ascendantes chaudes. Cela entraîne une agitation permanente du fluide contre la paroi. Lorsque la chaleur est seule responsable de ces mouvements, on appelle ce phénomène CONVECTION NATURELLE. Le mouvement de convection peut tout aussi bien s'inverser. Lorsqu'un fluide chaud vient au contact d'une paroi froide, ses molécules plus chaudes communiquent une partie de leur énergie de vibration aux molécules superficielles de la paroi. Elles s'alourdissent alors en se refroidissant et coulent vers le bas le long de la surface. Par exemple, l'air tiède au contact de la vitre froide d'une fenêtre se transforme en courant d'air frais vers le sol. Le transfert de chaleur est plus important lorsqu'on accélère la circulation du fluide contre la paroi. Un fluide s'échauffe au contact d'une paroi à température supérieure. Et comme le flux de chaleur en provenance de la paroi est proportionnel à la masse du fluide chauffé, un moyen simple d'accroître le flux transmis est d'éloigner le plus vite possible les molécules du fluide réchauffé et de les remplacer par de nouvelles à basse température. Par exemple, on refroidit plus vite une cuillerée de soupe brûlante en soufflant au-dessus. Au contact du liquide, les molécules d'air se chargent de chaleur qu'elles emportent au loin quand on souffle; des molécules d'un air plus frais les remplacent et viennent pomper leur part de chaleur. On appelle ce phénomène CONVECTION FORCEE. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 27 3- Transfert par rayonnement : C’est transfert de chaleur par onde électromagnétique. Il est réagit par la Loi de Stefan-Boltzmann : ST 4 Avec : Ɛ : émissivité de la paroi émettrice. Ϭ : 5,610-8. S : surface émettrice. T4 : température surface émettrice. Figure 4 : phénomène de rayonnement. Tous les matériaux rayonnent sans arrêt de l'énergie dans toutes les directions, à la suite du mouvement continuel de vibration de leurs molécules situées en surface. Alors que le rayonnement solaire comporte essentiellement des radiations de courtes longueurs d'onde émises à très hautes températures, le rayonnement thermique terrestre que nous ressentons comme échange radiatif de chaleur est principalement constitué de grandes longueurs d'onde et de l'infrarouge lointain, émises à une température bien inférieure. Lorsque le feu est mourant, les flammes et les braises prennent une coloration rouge sombre et donnent moins de lumière et à peine moins de chaleur. Au bout d'un moment, les flammes disparaissent, les braises encore rouges se ternissent, s'assombrissent et finalement ne rougeoient plus du tout. Les braises ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 28 tièdes n'émettent plus de clarté, mais elles continuent à rayonner de la chaleur. On ressent la douce tiédeur du feu mourant pendant des heures, alors qu'il n'éclaire plus et émet de la chaleur seulement sous forme de radiations infrarouges. L'intensité du rayonnement thermique d'un corps dépend de la température de sa surface rayonnante. L'intensité du rayonnement thermique provenant d'une surface dépend non seulement de la température de cette surface, mais aussi de son EMISSIVITE. D'une façon générale, la plupart des corps sont de bons émetteurs de rayonnement thermique, c'est-à-dire qu'ils rayonnent facilement de la chaleur sous forme d'énergie radiante infrarouge. L'émissivité d'un corps mesure son aptitude à émettre un rayonnement thermique. La plupart des matériaux de construction par exemple ont une émissivité de 0,9 environ, ce qui signifie qu'ils rayonnent 90% du maximum théorique d'énergie radiante correspondant à une température donnée. Habituellement, les surfaces brillantes finement polies des métaux émettent un rayonnement thermique faible. Cela signifie qu'elles rayonnent très peu de chaleur à une température donnée. Cependant, tous les matériaux n'absorbent pas le rayonnement thermique ; certains le réfléchissent et/ou le transmettent. Cette capacité d'une surface à réfléchir le rayonnement thermique dépend davantage de la densité et de la composition du corps que de sa teinte. Alors que la couleur est un bon indicateur du pouvoir de réflexion d'une paroi vis-à-vis du rayonnement solaire, elle renseigne peu sur la réflexion du rayonnement thermique. La plupart des matériaux de construction, sans tenir particulièrement compte de leur teinte, se comportent comme un "corps noir" vis-à-vis des radiations infrarouges, et absorbent presque tout le rayonnement thermique qu'ils interceptent. En général, ce sont seulement les surfaces brillantes finement polies, comme le papier aluminium, qui réfléchissent un pourcentage élevé du rayonnement thermique qu'elles interceptent. Les concepteurs d'avions utilisent cette propriété en donnant aux revêtements inférieurs des carlingues d'avions un fini de métal poli, de façon à ce qu'ils réfléchissent l'énergie thermique émise par la chaussée d'asphalte brûlante et, qu'ainsi, l'intérieur reste frais malgré les longues haltes sur l'aéroport. La proportion du rayonnement thermique intercepté par une surface dépend de l'angle que font les rayons avec cette surface. Il se produit exactement le même phénomène qu'avec le rayonnement solaire. Deux parois parallèles se faisant face échangeront entre elles le montant maximum de rayonnement thermique, alors que si elles sont face à face, mais inclinées l'une par rapport à l'autre, les quantités de rayonnement thermique échangées seront moindres. Si les deux corps en présence ont le même ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 29 coefficient d’absorption, le bilan de cet échange d'énergie par rayonnement se traduit par un gain net pour le corps au départ le plus froid. Les matériaux transparents qui transmettent le rayonnement solaire visible ne transmettent pas nécessairement les radiations infrarouges. Le verre, qui laisse pratiquement traverser l'ensemble du rayonnement solaire l'atteignant, absorbe par contre presque tout le rayonnement thermique qu'il intercepte, infrarouge proche ou lointain. Cette propriété du verre est une véritable aubaine pour le captage de l'énergie solaire. Une fois que la lumière naturelle a traversé le vitrage et se trouve absorbée par les matériaux intérieurs, le rayonnement thermique émis en retour par ces matériaux se trouve comme emprisonné par le verre. Cela ne signifie pas que les pertes par rayonnement vers l'extérieur soient annulées. Le verre absorbe certes le rayonnement thermique pour lequel il est opaque, mais il rayonne à son tour, aussi bien vers l'extérieur que vers l'intérieur. Toutefois sa température d'émission étant plus faible, les déperditions le sont aussi. Ce phénomène qui permet de piéger la chaleur est appelé communément "effet de serre". Pour montrer l'efficacité de cet effet, on peut citer un exemple classique : la chaleur accumulée dans une automobile parquée pendant quelques heures au soleil. D'autres matériaux transparents, comme certains plastiques utilisés en vitrerie, ont un excellent taux de transmission lumineuse, mais ils transmettent directement au-dehors 40% ou plus du rayonnement thermique qu'ils reçoivent. De ce point de vue, ces vitrages plastiques sont donc légèrement moins efficaces que le verre clair. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 30 I- Démarche nécessaire pour le calcul du bilan thermique d’un bâtiment 1- PRINCIPE Le calcul d'un bilan thermique permet de connaître avec précision la quantité d'énergie qu'il faudra pour chauffer ou refroidir un local. La justesse de ce calcul est primordiale non seulement pour le coût de l'installation, mais aussi pour son exploitation. Les éléments entrant en compte dans ce calcul sont nombreux, il faudra connaître la nature, l’exposition, la surface des murs, des parois vitrées, des plafonds, des sols, ces éléments étant multipliés par des coefficients variables selon l'altitude, le rayonnement solaire et la localisation géographique. D'autres éléments doivent être pris en compte comme le renouvellement d'air naturel ou mécanique, les divers ponts thermiques ainsi que les apports qui pondèreront le calcul par exemple l'éclairage, l’occupation humaine, les appareils ménagers etc.…. Caractéristiques des locaux: Orientation du local : (par rapport aux points cardinaux et aux cardinaux et aux vents dominants, types de bâtiments voisins). Dimensions du local: largeur, longueur, hauteur. Types du local: bureau, cuisine, salle d’eau etc.… Bilan thermique: Le calcul est scindé sur cinq parties: Apports (ou déperditions) par transmission surfacique. Apports (ou déperditions) par transmission linéique. Apport (ou déperditions) par renouvellement d’air. Apports internes. Apports dus aux ensoleillements. a. Transmissions surfaciques ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 31 Figure 5 : transmission surfaciques. Ce sont les gains ou les déperditions de chaleur à travers les parois (toitures, murs, parois vitrées, portes,…). Les calculs sont effectués dans les conditions climatiques les plus favorables. En plus du contact des parois avec l’extérieur, la chaleur peut être échangée à travers des parois qui sont en contact avec un local voisin non conditionné. Pour un local, ayant (n) parois déprédatives, les transmissions surfaciques sont présentées par la relation suivante : QS n U j A j [Ti Te ] j 1 Avec: Q S : Charge par transmission surfacique (W). U j : Coefficient de transmission surfacique de la paroi j (W/m² K). A j : Surface de la paroi j (m²). Ti : Température intérieure de la paroi j (température intérieure du local) (K). Te : Température extérieure de la paroi j (K). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 32 b. Transmissions linéiques : Un pont thermique est une partie de l’enveloppe du bâtiment où la résistance thermique, est modifiée d’une façon sensible. Les déperditions ou (apports) qui résultent de cette conduction sont proportionnellement au gradient de température entre l’intérieur et l’extérieur et à la longueur du pont. Elles sont données par la formule suivante : Ql j L j (Ti Te ) Avec: Ql : Charge thermique à travers les ponts thermiques. j : Coefficient de transmission linéique du pont j (W/m.K). L j : Longueur du pont j (m). c. Transmissions par renouvellement d’air Le renouvellement d’air du bâtiment est nécessaire pour des raisons d’hygiène. Il peut être par ventilation mécanique contrôlée ou par une ventilation naturelle. Dans les deux cas, il existe aussi un renouvellement d’air incontrôlé, dû aux infiltrations à travers les ouvrants et les orifices du bâtiment, et aux ouvertures de portes pour le passage. L’air introduit dans le local participe au bilan thermique par deux types d’échange de chaleur: sensible et latente. La puissance thermique totale échangée est: Qre Ql Qs Avec: Qre : Charge par renouvellement d’air (W). Ql : Charge en chaleur latente (W). Qs : Charge en chaleur sensible (W). Charge en chaleur latent ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 33 La chaleur latente (ou enthalpie) de changement d’état d'une masse ou quantité de matière est la quantité d'énergie qu'il faut lui communiquer pour qu'elle passe de l'état initial (solide, liquide ou gazeux) à un autre état. Ce sont les apports de chaleur sous forme latente (dégagement d’humidité sous forme de vapeur d’eau). Son flux est exprimé par : Ql qv Lv W Avec: q v : Débit volumique par renouvellement d’air (m3/s). : Masse volumique de l’air (kg/m 3 ) avec ( = 1,16 kg/m3). Lv : Chaleur latente de vaporisation de l’eau (J/kg) avec ( Lv =2500 J/kg). W : La différence entre l’humidité spécifique de l’air intérieur et l’humidité spécifique de l’air extérieur (kg d’eau /kg d’air sec). Charge en chaleur sensible La chaleur sensible est la quantité de chaleur qui est échangée, sans transition de phase physique, entre plusieurs corps formant un système isolé. Elle est qualifiée de « sensible » parce que cet échange de chaleur sans changement de phase change la température du corps, effet qui peut être ressenti ou mesuré par un observateur. En cela, la chaleur sensible s'oppose à la « chaleur latente », qui, elle, est absorbée lors d'un changement de phase, sans changement de température. Elle représente la quantité de chaleur sous forme sensible apportée ou perdue par le local. Son flux est donné par la formule suivante: Qs Qv C p T Avec: Qv : Débit volumique de renouvellement d’air en (m3/s). Cp: chaleur spécifique de l’air (J/ kg∙K) avec ( C p =1012 J/Kg.K). : Masse volumique de l’air (kg/m3) avec ( 1,16 kg/m3). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 34 T:Différence entre la température du local et la température extérieure (K). d. Apports internes A l’intérieur du local, on peut trouver également plusieurs sources de chaleur qui vont contribuer au bilan thermique. Apports dus aux occupants Comme le renouvellement d’air, les charges thermiques dues aux occupants sont scindées en deux parties: Les charges dues à la chaleur sensible du corps humain. Les charges dues à la chaleur latente du corps humain. Le gain total dû aux occupants est alors: Qoc N p q s ql Avec: Q oc : Charge thermique due aux occupants (W). N p : Nombre des occupants. q s : Gain par chaleur sensible (W/personne). Apports dus à l’éclairage Les appareils d’éclairage constituent une source de chaleur sensible. Cette chaleur est dégagée par rayonnement, convection et conduction. Dans la pratique, on considère que l’énergie électrique consommée par l’éclairage est intégralement transformée en chaleur. Qecl N lam p Plam p Avec: N lam p : Nombre des lampes. Plam p: Puissance de chaque lampe (W). Apports dus aux appareils divers ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 35 En plus de l’apport par éclairage, différents équipements à l’intérieur des locaux contribuent à des apports thermiques complémentaires. La contribution de ces appareils au bilan thermique s’exprime par : Qapp N app Papp Avec: N app : Nombre des appareils. Papp : Puissance de chaque type d’appareil (W). e. Apports par ensoleillement L’ensoleillement représente un facteur très important qui participe au bilan frigorifique d’un bâtiment. Figure 6 : apport par ensoleillement. Apports par ensoleillement sur les vitres Lorsque le rayonnement solaire atteint une paroi vitrée, une partie du flux solaire est réfléchie (f une partie est absorbée par le vitrage (f absorbé) et une partie est transmise au local (f réfléchi), transmis). Cette dernière partie atteint les éléments intérieurs et elle est dégagée en chaleur ce qui induit une augmentation de la température du local. On calcule l’apport par ensoleillement suivant la relation suivante: ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 36 Qs _ v S v Fsol v f v Avec: S v : Est la plus petite surface visible du vitrage vue des deux cotés de la paroi, en ( m 2 ). Fsol : sont les apports solaires surfaciques incidents, en (W/ m 2 ). v : est le facteur solaire du vitrage. f v : Coefficient d’ensoleillement dans la vitre. Apports par ensoleillement sur les parois opaques Le rayonnement solaire ne peut franchir directement sur la paroi opaque, la partie absorbée échauffe le mur et sa température superficielle va augmenter. La chaleur est transmise alors au local par convection et par rayonnement. Le flux est alors exprimé par l’égalité suivante: Qs _ v S m Fsol m f m Avec: S m : Surface de la paroi (m²). Fsol : Facteur d’ensoleillement (W/m²). m : Est le coefficient d’absorption de la paroi, m dépend de la couleur et de la nature de la paroi. f m : Coefficient d’ensoleillement du mur. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 37 II- Etude de cas : calcul de bilan thermique 1- Plan ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 38 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 39 2- Donnée Conditions de base La Température extérieure est : Text = 37°C. La Température intérieure dans le bâtiment est : Tint = 26°C. La hauteur sous plafond est H= 3m. Le nombre d’occupant de chaque chambre est 3. La température du sol est : Tnc = 30°C. Coefficient de transmissions surfaciques le coefficient de transmission surfacique des planchers (haut et bas) est : Uph=1,25 W/m2K. le coefficient de transmission surfacique du mur extérieur est : Ume=0,85 W/m2K. le coefficient de transmission surfacique du mur intérieur est : Umi=1,75 W/m2K. le coefficient de transmission surfacique du vitrage est : Uv=4,50 W/m2K. le coefficient de transmission surfacique des portes est : Up=3,50 W/m2K. déperdition linéique Es apports linéiques représentent 12% des déperditions surfaciques. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 40 Apports internes les apports dus aux appareils sont égaux à 520 W. les apports dus à l’éclairage sont égaux à 200W. la pièce occupée au maximum par 9 personnes. les apports des occupants sont : apport sensible : 75W /occupant. apport latent : 27W/occupant. Renouvellement d’Air le débit de renouvellement d’air est qr= 30m3/h/occupant. la perméabilité à l’air extérieur du salon est égale à 1,13m3/h/m2de surface de plancher. masse volumique de l’air : air=1,10Kg/m3. chaleur spécifique de l’air Cpair= 1012 J/Kg.K. chaleur de changement de phase de l’eau : Lv-liq=2258KJ/Kg. Ensoleillement Le coefficient d’absorption du mur extérieur et du toit est m =0,4. Le facteur de réduction du vitrage est : f v =0,65. 3- Calcul du bilan thermique Rappel de formule de calcul Déperditions surfaciques : n QS U j A j [Ti Te ] j 1 Déperditions linéique : QS 12% ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 41 Qre Ql Qs Renouvellement d’air: Ql qv Lv W Chaleur latente : Qs Qv C p T Chaleur sensible : Qs _ v S m Fsol m f m Ensoleillement : Chambre - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : QS 29.61 0.85 11 276.84W Plancher haut : QS 14.79 2.2 11 357.91W Plancher bas : Qs= 14,79*2,5*4= 147,9 W. Vitrage - Qs= 3,08*4,5*11= 152,46 W. Déperditions linéiques Ql= 935,23*0,12= 112,23 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 94,22*1,16*1012*11= 337,99 W. Echanges latents - : 94,22*1,16*2258= 712 ,10 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Appareils 100 W. Occupant 3*102= 306 W. - Ensoleillement Mur oust : 8,7*0,4*444*0,03= 46,35 W. Mur sud : 15,3*0,4*187*0,03= 34,33 W. Mur est : 5,62*O, 4*444*0,03= 29,94 W. Totale= 2,72 KW. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 42 Cuisine - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 22,8*0,85*11= 2713,17 W. Plancher haut : Qs= 10,53*2,2*11= 254,82 W. Plancher bas : Qs= 10,53*2,5*4= 105,3 W. Déperditions linéiques Ql= 573,31*0,12= 68,79 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 244,22*1,16*1012*11= 955,68 W. Echanges latents - : 244,22*1,16*2258= 177 ,69 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Appareils 300 W. Occupant 6*102= 306 W. - Ensoleillement Mur oust : 8,4*0,4*444*0,03= 44,76 W. Mur nord : 4,68*0,4*32*0,03= 1,80 W. Totale= 2,83 KW. S.eau - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 15,3*0,85*11= 143,05 W. Plancher haut : Qs= 10,53*2,2*11= 125,23 W. Plancher bas : Qs= 10,53*2,5*4= 64,68 W. Déperditions linéiques Ql= 332,98*0,12= 39,95 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 6,43*1,16*1012*11= 25,8 W. Echanges latents - : 6,43*1,16*2258= 30 ,36 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Occupant 1*102= 102 W. - Ensoleillement ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 43 Mur oust : 7,5*0,4*444*0,03= 39,96 W. Mur nord : 7,8*0,4*32*0,03= 6,08 W. Totale= 0,65 KW. Salon - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 22,42*0,85*11= 265,72 W. Plancher haut : Qs= 42,57*2,2*11= 1030,98 W. Plancher bas : Qs= 42,79*2,5*4= 532,18 W. - Déperditions linéiques Ql= 1828,23*0,12= 219,38 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 244,22*1,16*1012*11= 955,68 W. Echanges latents - : 244,22*1,16*2258= 196 ,47 W. Apport internes Eclairage : 200 W. Appareils 816 W. Occupant 9*102= 918 W. - Ensoleillement Mur oust : 7,42*0,4*444*0,03= 39,53 W. Mur nord : 21*0,4*38*0,03= 9,58 W. Totale= 5,18 KW. - Hall Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 19,57*0,85*11= 181,27 W. Plancher haut : Qs= 29,48*2,2*11= 713,59 W. Plancher bas : Qs= 29,48*2,5*4= 368,59 W. - Déperditions linéiques ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 44 Ql= 1263,49*0,12= 151,61 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 244,22*1,16*1012*11= 955,68 W. Echanges latents - : 244,22*1,16*2258= 196 ,74 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Occupant 1*102= 102 W. - Ensoleillement Mur sud : 9,37*0,4*187*0,03= 21,03 W. Mur est : 6,57*O, 4*444*0,03= 35 W. Totale= 2,83 KW. Séjour - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : - Qs= 4,5*0,85*11= 276,84 W. Plancher haut : Qs= 11,7*2,2*11= 283,14 W. Plancher bas : Qs= 11,7*2,5*4= 146,25 W. Déperditions linéiques Ql= 471,47*0,12= 56,57 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 244,22*1,16*1012*11= 955,68 W. Echanges latents - : 244,22*1,16*2258= 196 ,74 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Occupant 1*102= 102 W. - Ensoleillement Mur est : 4,5*O, 4*444*0,03= 23,98 W. Totale= 1,91 KW. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 45 Chambre 1 - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 33,11*0,85*11= 264,1 W. Plancher haut : Qs= 29,45*2,2*11= 712,69 W. Plancher bas : Qs= 29,45*2,5*4= 294,5 W. Déperditions linéiques Ql= 1271,31*0,12= 152,55 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 94,22*1,16*1012*11= 337,99 W. Echanges latents - : 94,22*1,16*2258= 712 ,10 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Appareils 100 W. Occupant 3*102= 306 W. - Ensoleillement Mur oust : 8,7*0,4*444*0,03= 46,35 W. Mur sud : 7,02*0,4*38*0,03= 3,2 W. Mur est : 9,75*O, 4*65*0,03= 22,05 W. Totale= 3,09 KW. Chambre2 - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 20,14*0,85*11= 189,99 W. Plancher haut : Qs= 8,7*2,2*11= 210,54 W. Plancher bas : Qs= 8,7*2,5*4= 108,75 W. Déperditions linéiques Ql= 509,28*0,12= 61,15 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 94,22*1,16*1012*11= 337,99 W. Echanges latents : 94,22*1,16*2258= 712 ,10 W. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 46 - Apport internes Eclairage : 100 W. Appareils 100 W. Occupant 3*102= 306 W. - Ensoleillement Mur nord : 7,2*0,4*32*0,03= 2,76 W. Mur sud : 5,92*0,4*187*0,03= 13,28 W. Mur est : 7,02*O, 4*444*0,03= 37,4 W. Totale= 1,57 KW. Chambre3 - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 21,69*0,85*11= 73,73 W. Plancher haut : Qs= 7,35*2,2*11= 177,87 W. Plancher bas : Qs= 7,35*2,5*4= 91,87 W. Déperditions linéiques Ql= 293,61*0,12= 35,23 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 94,22*1,16*1012*11= 337,99 W. Echanges latents - : 94,22*1,16*2258= 712 ,10 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Appareils : 100 W. Occupant : 3*102= 306 W. - Ensoleillement Mur sud : 7,32*0,4*187*0,03= 16,43 W. Totale= 1,94 KW. Chambre 4 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 47 - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 33,11*0,85*11= 264,1 W. Plancher haut : Qs= 29,45*2,2*11= 712,69 W. Plancher bas : Qs= 29,45*2,5*4= 294,5 W. Déperditions linéiques Ql= 1271,31*0,12= 152,55 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 94,22*1,16*1012*11= 337,99 W. Echanges latents - : 94,22*1,16*2258= 712 ,10 W. Apport internes Eclairage : 100 W. Appareils : 100 W. Occupant : 3*102= 306 W. - Ensoleillement Mur oust : 8,7*0,4*444*0,03= 46,35 W. Mur sud : 7,02*0,4*38*0,03= 3,2 W. Mur est : 9,75*O, 4*65*0,03= 22,05 W. Totale= 3,09 KW. Salle de bain - - Déperditions surfaciques : Mur extérieur : Qs= 19,9*0,85*11= 158,75 W. Plancher haut : Qs= 5,17*2,2*11= 125,23 W. Plancher bas : Qs= 5,17*2,5*4= 64,68 W. Déperditions linéiques Ql= 348,69*0,12= 41,84 W. - Renouvellement d’air Echanges sensibles : 6,43*1,16*1012*11= 25,18 W. Echanges latents - : 6,43*1,16*2258= 74 ,43 W. Apport internes Eclairage : 100 W. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 48 Occupant 1*102= 102 W. - Ensoleillement Mur oust : 7,5*0,4*444*0,03= 39,96 W. Mur nord : 7,8*O, 4*65*0,03= 6,08 W. Totale= 0,71 KW. 4- Total du bilan thermique frigorifique Piece Besoins frigorifique (Kw) Chambre 2,74 Besoins frigorifique ((v*200)/3,41) 2,6 Cuisine 2,83 1,85 Hall 2,83 2,07 Salon 5,18 4,3 Séjour 1,91 2,05 Salle d’eau 0,65 0,87 Chambre1 3,09 1,15 Chambre2 2,43 2,21 Chambre3 1,94 1,29 Chambre4 1,6 1,53 Salle de bain 0,73 0,91 Tableau 1 : bilan thermique de totale de l’habitat Conclusion Dans ce chapitre, je suis intéressée à la détermination des puissances frigorifiques nécessaires pour les différents locaux au bâtiment ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 49 Chapitre III: dimensionnement de l'installation électrique du bâtiment 1 Introduction Une installation électrique est un ensemble cohérent d’appareillage, câbles, circuits et récepteurs, le dimensionnement d’une installation électrique consiste à faire le choix optimal des sections de câbles et des protections pour garantir un fonctionnement normal des équipements sans dégradation ou échauffement. 2 Les câbles Les câbles sont considérés comme les piliers d’une installation électrique, en outre un surdimensionnement engendre des surcoûts dans la réalisation du projet, par contre un sous dimensionnement peut engendrer des échauffements et causer un dysfonctionnement de l’installation électrique, d’où la nécessitée d’un dimensionnement optimal. Le dimensionnement optimal des câbles doit tenir compte des conditions suivantes : - Le mode de pose et la nature des milieux traversés - La température extrême du milieu ambiant - La tension et la nature du courant - L'intensité à transporter - La longueur de la liaison - La chute de tension admissible - La valeur du courant de court circuit et le temps de coupure sur défaut Les couleurs des conducteurs ont une fonction déterminée : Rouge, conducteur actif : phase. Bleu, conducteur neutre. Vert-jaune, conducteur de protection : la terre. Noir marron violet orange : sont les couleurs utilisées pour les conducteurs retours et navettes pour les va et vient. Le choix du câble est très important avant l'achat car une fois dans la gaine il est rarement possible d'en rajouter un autre. Le nombre de conducteur et la section est fonction de l'installation à créer. Il existe des câbles de différentes sortes, le câble du type U1000RO2V est un câble qui convient pour tout type d'installation, la tension d'utilisation maximale est 1000 Volts. Pour une installation réalisée dans les règles de l'art il convient de passer le câble dans une gaine. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 50 1 Câble U1000RO2V5x1,5mm² Câble destiné pour la réalisation des installations électriques dans le bâtiment et l'industriel. HO5VV-F 3x2,5mm² Câble souple destiné à l'alimentation des petits appareils mobiles et à HO5VV-F 4x1, 5mm² Câble souple destiné à l'alimentation des petits appareils mobiles et à l'alimentation des appareils d'électroménagers. l'alimentation des appareils d'électroménagers. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) H03VVFH2F Câble méplat, destiné à l'alimentation des petits appareils d'électroménagers, sauf les appareils de chauffage. Câble rigide de type téléphonique 5 paires. Destiné pour la réalisation des installations de téléphones, portiers de Page 51 villa, alarmes... Câble coaxial pour la réalisation des liaisons entre les antennes "TV" et les téléviseurs. 2.1 Désignation normalisée des câbles et conducteurs Il existe deux codes actuellement en vigueur : le code UTE et le code CENELEC. Le code CENELEC remplace progressivement le code UTE. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 52 2.2 La section des conducteurs La section des conducteurs pour l'alimentation des différents circuits : ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 53 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 54 3 Les gaines Dans les logements la gaine la plus utilisée est la gaine de type ICO (isolant centrale ordinaire) avec un tire fil, elle est destinée pour des saignées réalisées dans des murs ou des cloisons. Pour les installations en saillies il faut utiliser des moulures en plastique ou du tube de type IRO (isolant rigide ordinaire.) La fixation de la moulure est réalisée avec des chevilles et des vis, elle peut être collée mais à la longue cela fini toujours par se défaire. Le tube est fixé au mur avec des attaches ou colliers. Les attaches doivent être au plus espacées de 50 cm en partie horizontale et 60 cm en partie verticale. Les gaines posées dans les tranchées doivent être enterrées à 1 mètre de profondeur si des véhicules circulent dessus et à 0,80 pour les passages piétons uniquement. Une fois la tranchée réalisée, il faut placer un lit de sable de 10 cm environ, ensuite poser la gaine au centre de la tranchée, la recouvrir de 0,20 m de sable puis poser un grillage avertisseur. Ensuite combler la tranchée en plaçant les mottes de terre les plus petites sur le grillage avertisseur puis les plus grosses sur le dessus. Lors de la fin des travaux il est souhaitable de réaliser un relevé du passage de la tranchée et de porter son cheminement sur un plan. Gaine rouge avertisseur rouge pour l'électricité, courant fort. Gaine verte avertisseur vert pour le téléphone. 4 La chute de tension dans les lignes La gestion du réseau électrique ne consiste pas seulement à faire en sorte que les transits soient inférieurs aux capacités de transport de chaque ouvrage du réseau. Il faut également surveiller plusieurs paramètres techniques, dont le niveau de tension : la tension électrique doit rester dans une plage autorisée en tout point du réseau, dans toutes les situations de production et de consommation prévisibles. En effet, la tension peut localement être dégradée, par exemple les jours de forte consommation (dans ce cas, les transits à travers les lignes du réseau sont importants, ce qui provoque une chute de tension dans ces lignes). Lorsque le transit dans une ligne électrique est assez important, la circulation du courant dans ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 55 la ligne provoque une chute de la tension. La tension est alors plus basse en bout de ligne qu’en son origine et plus la ligne est chargée en transit de puissance, plus la chute de tension sera importante. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 56 5 Mode opératoire Cette procédure vous permettra de vous organiser pour la réalisation de vos installations. 1-Mise hors tension de l'installation existante et contrôle de l'absence de tension (par sécurité il est souhaitable de couper le disjoncteur général). 2-Tracé des axes des conduits et de l'appareillage. 3-Réalisation des saignées (attention aux conduits déjà encastrés). 4-Pose de l'appareillage ou pose des boîtes d'encastrement. 5-Pose des conduits ou scellement des gaines. 6-Passage des conducteurs ou des câbles, pour le passage des conducteurs dans les gaines il existe des produits pour améliorer le glissement dans les gaines. Pour les câbles, il faut dénuder la gaine de protection des conducteurs avant de le passer dans le conduit, car il n’est pas aisé de passer le couteau dans le boîtier ! Ainsi lors du raccordement les conducteurs sont prêts à être raccordés. Laisser dépasser les conducteurs de 15 cm environ dans le boîtier. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 57 7-Pose de l'appareillage et raccordement (interrupteurs, prises, boites de dérivation...) Pour le raccordement de l'appareillage il est souhaitable de doubler le conducteur s'il est seul sous la vis, cela évite un sectionnement du fil avec la vis. Les conducteurs doivent dépasser de 10 à 12 cm du boîtier, les plier en en "S" pousser et visser l’appareil. 8-Contrôles divers, vérifier la continuité des terres sur les prises de courant et l’appareillage métallique. 9-Mise sous tension et essais. 6 Choix d’appareillage La structure du réseau étant choisie et validée, les matériels électriques prévus doivent satisfaire. aux normes en vigueur aux caractéristiques du réseau Il s'agit notamment : - des tensions de service qui doivent être compatibles avec la tension la plus élevée pour le matériel - des surtensions susceptibles d'apparaître dans le réseau qui doivent être compatibles avec les tensions de tenue du matériel (à fréquence industrielle, choc de manœuvre, choc de foudre) - des courants nominaux - des courants de court-circuit qui doivent être compatibles avec le pouvoir de coupure, le pouvoir de fermeture, la tenue thermique et électrodynamique du matériel. aux fonctions associées à chaque équipement - coupure sur court-circuit (disjoncteur, fusible) - manœuvre en régime nominal (interrupteur) - manœuvres fréquentes (contacteurs...) - hors charge (sectionneurs). aux exigences de la continuité de service Ce qui détermine le choix du type de matériel : ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 58 - appareil fixe - appareil débrochable pour faciliter l'entretien ou le remplacement. aux qualifications du personnel Le niveau de qualification des agents d'exploitation et de maintenance détermine : - la nécessité ou non de verrouillages et d'asservissements pour éviter les fausses manœuvres - le choix d'un matériel avec ou sans entretien. aux exigences liées aux extensions futures Cela détermine les réserves à prévoir et peut conduire au choix de matériels modulaires. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 59 les techniques de mise en œuvre d'une installation électrique 1 La limitation La limitation est une technique qui permet au disjoncteur de réduire fortement les courants de court-circuit. Les avantages de la limitation sont multiples : -atténuation des effets néfastes des courts-circuits : électromagnétiques, thermiques, mécaniques, -base de la technique de filiation. 1.1 Principes Le courant de défaut présumé Icc est le courant de court-circuit Icc qui circulerait en l’absence de limitation à l’endroit de l’installation où le disjoncteur est placé. Du fait de l’élimination en moins d’une demi-période du courant de défaut, seule la première Icrête asymétrique est à considérer. Cette dernière est fonction du cos ϕ de défaut de l’installation. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 60 Courant assigné de courte durée admissible (Icw) : Défini pour les disjoncteurs de catégorieB. Icw (kA eff.) est le courant de court-circuit maximal que peut supporter le disjoncteur pendant une courte durée (de 0,05 à 1 s) sans altération de ses caractéristiques. Cette performance est vérifiée lors de la séquence d’essais normalisés. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 61 La diminution du courant Icrête en IL limité, caractérise la limitation d’un disjoncteur. La limitation consiste à créer une force contre-électromotrice s’opposant à la croissance du courant de court-circuit. Les trois critères déterminants pour l’efficacité de cette limitation sont : -Le temps d’intervention, c’est à dire l’instant ts où apparaît la force contre-électromotrice (fcem), -La vitesse de croissance de cette fcem, -La valeur de cette fcem. La force contre-électromotrice est la tension d’arc Ua due à la résistance de l’arc qui se forme entre les contacts dès leur séparation. Sa rapidité d’évolution est liée à la vitesse de séparation de contacts. Comme le montre la figure ci-dessus, à partir de l’instant ts où les contacts se séparent, la force contre-électromotrice Ua croît jusqu’au moment t1 où elle est égale à la tension de la source Em. Le courant limité a alors atteint sa valeur maximale et va diminuer et s’éteindre au bout du temps t2. Sa décroissance est provoquée par la force contre-électromotrice dont la valeur est supérieure à Em. 1.2 Avantages Application à la distribution électrique ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 62 La limitation atténue fortement les effets néfastes des courts-circuits sur l’installation. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 63 1.3 Courbes de limitation Le pouvoir de limitation d’un disjoncteur est exprimé par des courbes de limitation qui donnent : -l’intensité crête limitée en fonction de l’intensité efficace du courant de court-circuit présumé. Exemple : sur un départ de 160 A où l’Icc présumé est de 90 kA efficace, l’Icc crête non limité est de 200 kA (facteur d’asymétrie de 2,2) et l’Icc limité est de 26 kA crête. -la contrainte thermique limitée (en A2s), en fonction de l’intensité efficace du courant de courtcircuit présumé. Exemple : sur le départ précédent, la contrainte thermique passe de plus de 100 106 A2s à 6 106 A2s. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 64 2 La filiation La filiation procure un pouvoir de coupure “renforcé” aux disjoncteurs placés en aval d’un disjoncteur limiteur. Celui-ci, en limitant les forts courants de court-circuit aide le disjoncteur ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 65 placé en aval. La filiation permet d’utiliser un disjoncteur de pouvoir de coupure inférieur au courant de court-circuit calculé à son point d’installation. La filiation permet de : réaliser des économies, simplifier le choix des protections, par la mise en œuvre de disjoncteurs aux performances standards. 2.1 Domaine d’utilisation 2.1.1 La filiation -Concerne tous les appareils installés en aval de ce disjoncteur, -peut s’étendre à plusieurs appareils consécutifs, même s’ils sont utilisés dans des tableaux différents. Les normes d’installation (CEI 60364 ou locales) imposent que l’appareil amont ait un pouvoir de coupure ultime Icu supérieur ou égal au courant de court-circuit présumé au point d’installation. Pour les disjoncteurs situés en aval, le pouvoir de coupure ultime Icu à considérer est le pouvoir de coupure ultime renforcé par la coordination. 2.1.2 Principes Dès que les deux disjoncteurs déclenchent (à partir du point IB), une tension d’arc UAD1 à la séparation des contacts de D1 s’ajoute à la tension UAD2 et aide par limitation complémentaire le disjoncteur D2 à s’ouvrir. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 66 2.1.3 Avantages La filiation permet de bénéficier de tous les avantages de la limitation. Ainsi, sont réduits les effets résultant des courants de court-circuit, soit : les effets électromagnétiques, les effets électrodynamiques, les effets thermiques. L’installation d’un seul disjoncteur limiteur amène des simplifications et des économies importantes pour toute l’installation aval : -simplification du choix des appareils par les tableaux de filiation, ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 67 LES TECHNIQUES DE MISE EN ŒUVRE -économie sur les appareils aval. La limitation permet d’utiliser des disjoncteurs aux performances standards. 3 Sélectivité Il y a sélectivité des protections si un défaut, survenant en un point quelconque du réseau, est éliminé par l'appareil de protection placé immédiatement en amont du défaut et lui seul. La sélectivité entre deux disjoncteurs D1 et D2 est totale si D2 fonctionne pour toute valeur de courtcircuit jusqu'au courant de court-circuit franc triphasé au point où il est placé. La sélectivité est partielle si D2 fonctionne seul jusqu'à un courant de court-circuit présumé Ic inférieur à Icc D2. Au delà de cette valeur, D1 et D2 fonctionnent simultanément. Avantages de la sélectivité ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 68 LES TECHNIQUES DE MISE EN ŒUVRE -économie sur les appareils aval. La limitation permet d’utiliser des disjoncteurs aux performances standards. Disponibilité permanente de l’énergie impératifs de production respectés : o pas de rupture de fabrication, o pas de reprise de procédure de démarrage, o pas d’arrêt intempestif et dangereux de machines ou systèmes tels que pompes de lubrification, extracteurs de désenfumage. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 69 3.1 Sélectivité ampèremétrique Elle repose sur le décalage en intensité des courbes de protection. Elle est totale si le courant de court-circuit en aval de D2 IccD2 est inférieur au seuil de déclenchement magnétique Isd1. Sinon elle est partielle. La sélectivité ampèremètrique est d'autant plus étendue que les calibres des disjoncteurs amont et aval sont différents. Réalisée avec des disjoncteurs rapides elle est souvent partielle et son niveau est seulement Isd1. 3.2 Sélectivité chronométrique Elle repose sur le décalage temporel des courbes de, déclenchement et se détermine graphiquement Sélectivité totale Le disjoncteur amont D1 dispose d'un retard intentionnel (par exemple : Masterpact Compact électronique). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 70 Pour la réaliser, il faut disposer d’un disjoncteur amont à crans de temporisations. Le retard introduit doit permettre d’améliorer la sélectivité sans pour autant mettre en péril le câble – ou ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 71 les jeux de barres - qui auraient alors à supporter la surintensité plus longtemps (effets thermiques I2t et contraintes électrodynamiques plus grands). 4 Coordination d’isolement des protections et La coordination de l'isolement d'une installation consiste à déterminer les caractéristiques d'isolement nécessaires aux divers constituants du réseau, en vue d'obtenir une tenue homogène aux tensions normales, ainsi qu'aux différentes surtensions. Son but final est de 7 permettre une distribution sûre et optimisée de l'énergie électrique. Cette optimisation permet de trouver le meilleur rapport économique entre les différents paramètres dépendant de cette coordination : - coût de l'isolement du matériel - coût des protections contre les surtensions - coût des défaillances (perte de l'exploitation et destruction de matériel), en tenant compte de leur probabilité d'occurrence. Le coût du sur-isolement du matériel étant très élevé, il ne peut pas être dimensionné pour supporter les contraintes de toutes les surtensions. S'affranchir des effets néfastes des surtensions suppose une première démarche qui consiste à s'attaquer à leurs phénomènes générateurs, ce qui n'est pas toujours évident. En effet, si à l'aide de techniques de coupure appropriées les surtensions de manœuvre de l'appareillage peuvent être limitées, il est impossible d'empêcher les coups de foudre. La réduction des risques des surtensions, par conséquent du danger qu'elles représentent pour les personnes et le matériel, est d'autant meilleure si certaines mesures de protection sont respectées : ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 72 - limitation des résistances de prise de terre du poste pour la réduction des surtensions lors d'un défaut à la terre - réduction des surtensions de manœuvre par le choix d'appareils de coupure appropriés - écoulement à la terre des chocs de foudre par un premier écrêtage (parafoudre ou éclateur à l'entrée des postes) avec limitation des résistances de prises de terre. - protection des équipements sensibles en BT (informatiques, télécommunications, automatismes, ...) en leur associant des filtres séries et/ou des limiteurs de surtensions. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 73 Les défauts du réseau de distribution 1. Préambule L'objectif du présent document est de : · faire connaître aux clients les balises généralement acceptées par la communauté internationale pour les différents phénomènes affectant la qualité de l'onde électrique ; · rappeler aux clients qu'il est normal que l'électricité livrée puisse faire l'objet d'interruptions ou de perturbations ; · inciter les clients à tenir compte des informations fournies afin de protéger adéquatement leurs équipements et d'organiser leur utilisation de l'électricité de manière à minimiser les impacts possibles des différents phénomènes si cela est nécessaire ; · inciter les fournisseurs d'équipements à offrir les options requises pour assurer la compatibilité de leurs équipements avec l'alimentation électrique normale. Les caractéristiques de la tension définies dans ce document sont de nature générale ; elles ne doivent donc pas être interprétées comme étant complètes ou suffisantes pour assurer le bon fonctionnement d'une installation ou d'un équipement donné. Il faudra par conséquent que le client prenne en considération l'ensemble des phénomènes ou caractéristiques pour assurer l'intégration adéquate d'une installation ou d'un équipement dans son environnement particulier, le tout selon les normes applicables et les règles de l'art en la matière. Il importe également de noter que les caractéristiques et cibles présentées ici constituent les meilleures indications possibles de ce qui peut être prévu, sans que rien ne garantisse que ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 74 les valeurs ou le nombre d'événements indiqués ne puissent être dépassés pour un client donné ou dans une zone particulière. À cet égard, le STEG ne garantit pas le maintien à un niveau stable de la tension et de la fréquence, ni la continuité de la fourniture et de la livraison de l'électricité. Elle ne peut en aucun cas, tant du point de vue contractuel qu'extra contractuel, être tenu responsable des préjudices causés aux biens résultant de la fourniture ou de la livraison de l'électricité ou du défaut de fournir ou de livrer l'électricité, ou résultant d'une mise à la terre accidentelle, d'une défaillance mécanique sur son réseau, de toute interruption de service, de variations de fréquence ou de variations de la tension de fourniture. C'est pourquoi le client a l'obligation d'assurer la protection des biens et la sécurité des personnes qui se trouvent aux endroits où l'électricité est fournie ou livrée et il est responsable de se prémunir contre les conséquences de toute interruption de la fourniture et de la livraison de l'électricité et il doit protéger son installation électrique et ses appareils contre les variations ou pertes de tension, les variations de fréquence et les mises à la terre accidentelles. Les méthodes de mesure auxquelles on réfère dans ces pages sont relativement nouvelles. Il est donc possible que les appareils de mesure conformes à ces méthodes ne soient pas largement accessibles avant plusieurs années. Entre-temps, on pourra utiliser les appareils de mesure disponibles en traitant ou en interprétant les résultats de manière à respecter le plus possible les méthodes décrites. Par ailleurs, des mesures de la qualité de l'onde électrique se dérouleront au cours des prochaines années pour continuer de quantifier les différents indices de qualité de l'onde dans leur application au réseau de distribution ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 75 2. Objet L'objet de ce document est de définir et de décrire les valeurs qui caractérisent la tension fournie par le réseau de distribution du STEG, telles que la fréquence, l'amplitude, la symétrie des tensions triphasées et la forme de l'onde, de façon à donner une meilleure information aux clients. 4. Définitions : Dans le présent document, on entend par: Compatibilité Aptitude d'un appareil ou d'un système électrique à fonctionner de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations excessives pour les autres appareils raccordés au réseau électrique. (C'est l'équivalent de la « Compatibilité électromagnétique » définie par la CEI). Conditions habituelles d'exploitation Conditions permettant de répondre à la demande de la charge, aux manoeuvres d'exploitation et à l'élimination normale des défauts par l'entremise des systèmes de protection automatique, en l'absence de cas de force majeure, de conditions exceptionnelles ou de conditions provisoires d'alimentation. Coupure brève Affaissement complet de la tension d'alimentation sur toutes les phases pour une durée n'excédant pas 1 minute. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 76 Creux de tension Brusque réduction de plus de 10 % de la tension nominale sur une ou plusieurs phases pour une courte durée variant de 8 millisecondes à 1 minute. Cycle Durée d'une période de l'onde fondamentale de la tension alternative du réseau. Pour une fréquence de 60 Hz, cette durée est de 1/60e de seconde, soit 16,67 millisecondes. Déséquilibre de tension Situation où les trois tensions du système triphasé ne sont pas égales en amplitude ou ne sont pas déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. Force majeure S'entend des cas fortuits, conflits de travail, actes de l'ennemi public, guerres, insurrections, émeutes, incendies, tempêtes ou inondations, explosions, bris ou accidents des machines ou de l'équipement, réductions, ordonnances, réglementations ou restrictions imposées par un gouvernement militaire ou des autorités civiles légalement établies, ou toute autre cause indépendante de la volonté du STEG Fréquence de la tension d'alimentation Taux de répétition de l'onde fondamentale de la tension d'alimentation, mesuré pendant un intervalle de temps donné. La fréquence d'un réseau alternatif de distribution publique est directement liée à la vitesse de rotation des alternateurs. Indice de continuité Indice représentant pour chacun des clients alimentés dans une zone déterminée (province, municipalité, poste, ligne...) le nombre moyen d'heures d'interruptions de service subies pendant une période donnée. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 77 Moyenne tension Aux fins de ce document, il s'agit des parties du réseau dont la tension nominale entre phases se situe entre 750 V et 34,5 kV inclusivement. Basse tension Aux fins de ce document, il s'agit des parties du réseau dont la tension nominale entre phases se situe en deçà de 750 V. Interruption Coupure de l'alimentation électrique de plus de 1 minute. Papillotement (Flicker) Impression d'instabilité de la sensation visuelle due à un stimulus lumineux dont la luminance ou la répartition spectrale fluctuent dans le temps. [Vocabulaire Électrotechnique International (50-161-08-13)]. Période de mesure Période de référence utilisée pour le relevé des mesures et l'établissement des classements statistiques; cette période est d'une semaine continue aux fins de ce document. Les mesures peuvent toutefois s'étendre sur plus d'une semaine, au besoin. Point de livraison Tout point situé immédiatement après l'appareillage de mesurage du STEG à partir duquel l'électricité est mise à la disposition du client; lorsque STEG n'installe pas d'appareillage de mesurage ou lorsque celui-ci est situé avant le point de raccordement, le point de livraison est au point de raccordement. C'est à ce point que sont définies les caractéristiques et cibles de qualité de la tension fournie par le réseau de distribution et faisant l'objet de ce document. (Règlement 634,a.3) ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 78 Point de raccordement Le point où est relié au réseau Hydro-Québec l'installation électrique du lieu ou l'électricité est fournie. (Règlement 634,a.3) Réseau piloté Réseau électrique comprenant à la fois un ou des centres de production et des charges temporairement détaché du réseau principal à la suite d'une perturbation ou d'une manoeuvre. Réseau autonome Tout réseau de production et de distribution de l'électricité détaché du réseau principal. (Règlement 634, a.3) Réseau principal Le plus grand ensemble de réseaux électriques d'Hydro-Québec interconnectés entre eux. Réseau voisin Réseau n'appartenant pas à Hydro-Québec, mais pouvant être interconnecté avec son réseau principal. Surtension temporaire Augmentation soudaine de la valeur efficace de la tension sur une ou plusieurs phases (plus de 110 % de la tension nominale) pour une durée variant de 8 millisecondes à 1 minute. Surtension transitoire Augmentation très rapide de la tension à une fréquence élevée, indépendante de la fréquence de la tension d'alimentation. La surtension peut prendre la forme d'une impulsion unidirectionnelle de polarité négative ou positive ou d'une oscillation amortie. Elle peut ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 79 être causée par des commutations de charges, par des manoeuvres en réseau, ou par la foudre. Tension d'alimentation Tension mesurée au point de livraison d'un client. Tension de neutre Tension mesurée entre le conducteur de neutre du réseau et une électrode de référence située à au moins 10 mètres de toute autre mise à la terre ou d'une masse métallique. ( Règlement 634, a.3) Tensions harmoniques Tensions sinusoïdales dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale du réseau (60 Hz). Tension nominale du réseau moyenne tension Tension efficace entre phases servant à désigner un réseau. Aux fins de ce document, les tensions nominales (Vnom) s'établissent comme suit : 4,16 kV, 12,47 kV, 13,2 kV 13,8 kV , 24,94 kV et 34,5 kV. La tension nominale la plus courante en moyenne tension est de 24,94 kV. Tension nominale du réseau basse tension Tension efficace servant à désigner un réseau. Aux fins de ce document, les tensions nominales basse tension (Vnom) s'établissent comme suit : · 120/240 V, dans le cas d'un système monophasé ; · 347/600 V, dans le cas d'un système triphasé, étoile, neutre mis à la terre. Tension en régime permanent Valeur efficace de la tension évaluée sur 10 minutes. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 80 Valeur définie à 95 % S'applique à une période de mesure d'une semaine : une valeur définie à 95 % signifie que pendant 159,6 heures des 168 heures d'une semaine, les valeurs mesurées sont en deçà de la valeur cible ou indicative des caractéristiques. Pour chaque période d'une semaine, une caractéristique donnée pourrait donc excéder sa valeur cible ou indicative durant 8,4 heures. Valeur cible Limite visée pour certaines caractéristiques de la tension en référence à des objectifs d'entreprises ou à des normes nationales ou internationales. Elles sont souvent définies en termes de probabilité par un pourcentage et une période de temps définis. Il peut donc arriver que ces limites soient occasionnellement dépassées. Valeur indicative Dans le cas de certaines caractéristiques de la tension, l'état actuel des connaissances ou de la normalisation, ou encore la nature aléatoire ou externe des perturbations, ne permettent pas de définir de valeurs cibles. Les valeurs indicatives qui sont alors données font simplement état des informations existant sur le sujet. Variations rapides de tension Suite de variations soudaines ou variations cycliques de la valeur efficace de la tension entre deux niveaux consécutifs, généralement attribuables à des variations de charges ou à des manoeuvres en réseau. II. Classification des perturbations de l'alimentation électrique Le classement général suivant, établi à titre indicatif, permet de distinguer le type et la durée des phénomènes faisant l'objet de ce document, ainsi que leurs effets sur les équipements et les différentes méthodes de mesure préconisées et la nature des valeurs présentées. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 81 Phénomènes Type Section Effets (Durée du possibles typique) document · Tension en 5.1 Échauffement régime et l'électronique, des efficaces sur Cibles permanents permanent 5.2 moteurs des 10 (> 1 min) Tensions Valeurs Cibles De ou longue indicatives et de Valeurs transformateurs 5.3 Mesure ou Cibles minutes parasites pouvant affecter la production agricole 5.4 Arrêt des Durée équipements 5.5 Échauffement de Valeurs des efficaces sur moteurs des 10 transformateurs Cibles minutes 5.6 5.7 et d'interruption indicatives l'électronique, et Cibles Indicatives Inconvénients Moyenne physiologiques cubique sur 2 Cibles Transitoires lents heures (> 0,008 s et = 1 min) · Coupure 5.8 brève Arrêt des Durée équipements Arrêt des procédés Valeurs 5.10 industriels 5.11 mauvais 5.12 fonctionnement des équipements Indicatives d'interruption 5.9 Indicatives ou efficaces sur Indicatives Transitoires rapides Cibles 1 cycle à Indicatives ( = 0,008 s) quelques secondes · Surtension 5.13 Arrêt des procédés Valeur crête Indicatives ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) durée Page 82 transitoire et industriels, claquage et 5.14 des isolants forme d'onde Voir référence [2] 5.1 TENSION EN RÉGIME PERMANENT - BASSE TENSION 5.1.1 Description Conformément à l'article 19 du règlement 634 sur les conditions de fourniture de l'électricité, les tensions nominales des réseaux basse tension s'établissent comme suit : · 120/240 V, dans le cas d'un système monophasé ; · 347/600 V, dans le cas d'un système triphasé, étoile, neutre mis à la terre. 5.1.2 Causes de variations Dans un réseau électrique, l'amplitude de la tension en régime permanent dépend des caractéristiques de conception du réseau, des variations de charge et des changements d'état auxquels il est soumis. En pratique, il est d'usage de corriger la tension en régime permanent à différents points du réseau, par exemple, au moyen des changeurs de prises automatiques dans les postes de transformation et sur certaines lignes de distribution. 5.1.3 Méthode d'évaluation Les variations de tension en régime permanent s'évaluent en faisant la moyenne quadratique des écarts en valeur efficace par rapport à la tension nominale sur des intervalles de temps d'intégration de 10 minutes. Les valeurs cibles présentées à la section 5.1.4 doivent être comparées, selon le cas, à la valeur correspondant à 95 % ou à 99,9 % des résultats ainsi obtenus sur une période de mesure d'une semaine, à l'exclusion des interruptions. Les méthodes de mesure sont décrites à la référence [2]. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 83 5.1.4 Valeurs cibles de l'amplitude des tensions en régime permanent Pour chaque période d'une semaine, dans les conditions habituelles d'exploitation et à l'exclusion des interruptions, 95 % des valeurs efficaces des écarts évaluées sur 10 minutes varient de - 11,7 % à + 5,8 % par rapport à la tension nominale. La tension fournie se situe dans les plages recommandées par l'Association canadienne de normalisation (ACNOR, norme CAN3-35-83) incluant les conditions marginales, comme suit : · pour la tension nominale 120/240 V, de 106/212 V à 127/254 V ; · pour la tension nominale 347/600 V, de 306/530 V à 367/635 V. Enfin, 99,9 % des valeurs efficaces des écarts évaluées sur 10 minutes se situent dans l'intervalle allant de -15 % à + 10 % de la tension nominale, pour s'établir comme suit : · pour la tension nominale 120/240 V : 102/204 V et 132/264 V ; · pour la tension nominale 347/600 V : 295/510 V et 382/660 V. 132 130 128 126 124 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 84 122 120 Tension sur une période de 10 minutes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temps (minutes) Exemple Pour le profil de tension donné à la figure suivante, l'intégrale des valeurs efficaces calculée sur 10 minutes donne un écart de + 5,6 %, c'est-à-dire une valeur de tension efficace de 126,7 V, même si on constate des fluctuations allant jusqu'à 8,3 % pendant 1 minute (130 V). 5.2 TENSION EN RÉGIME PERMANENT - MOYENNE TENSION 5.2.1 Description Conformément au règlement 634 d'Hydro-Québec, les tensions nominales des réseaux moyenne tension s'établissent comme suit : · 7,2/12,47 kV ; 7,6/13,2 kV ; 8,0/13,8 kV ; 2,4/4,16 kV ; · · · · ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 85 14,4/24,94 kV ; · 20,0/34,5 kV ; 5.2.2 Causes de variations Dans un réseau électrique, l'amplitude de la tension en régime permanent dépend des caractéristiques de conception du réseau, des variations de charge et des changements d'état auxquels il est soumis. En pratique, il est d'usage de corriger la tension en régime permanent à différents points du réseau, par exemple, au moyen des changeurs de prises automatiques dans les postes de transformation et sur certaines lignes de distribution. 5.2.3 Méthode d'évaluation Les variations de tension en régime permanent s'évaluent en faisant la moyenne quadratique des écarts en valeur efficace par rapport à la tension nominale sur des intervalles de temps d'intégration de 10 minutes. Les valeurs cibles présentées à la page suivante doivent être comparées, selon le cas, à la valeur correspondant à 95 % ou à 99,9 % des résultats ainsi obtenus sur une période de mesure d'une semaine, à l'exclusion des interruptions. Les méthodes de mesure sont décrites à la référence [2]. 5.2.4 Valeurs cibles de l'amplitude des tensions en régime permanent Pour chaque période d'une semaine, dans les conditions habituelles d'exploitation et à l'exclusion des interruptions, 95 % des valeurs efficaces des écarts évaluées sur 10 minutes se situent dans une plage de plus ou moins 6 % par rapport à la tension nominale. Enfin, 99,9% des valeurs efficaces des écarts évaluées sur 10 minutes se situent dans l'intervalle allant de - 10 % à + 10 % de la tension nominale. Par exemple pour la tension nominale 14,4/24,94 kV, pour chaque période d'une semaine; ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 86 · 95 % des valeurs efficaces des écarts évaluées sur 10 minutes se situent entre 13,58/23,52 kV et 15,26/26,43 kV · 99 % des valeurs efficaces des écarts évaluées sur 10 minutes se situent entre 13.09/22,67 kV et 15,84/27,43 kV 5.3 TENSION DE NEUTRE (TENSION NEUTRE-TERRE) 5.3.1 Description Il s'agit de la tension qui existe entre une électrode de mise à la terre reliée au neutre et une électrode de référence distante de 10 mètres à la fois de l'électrode de mise à la terre et de toute autre masse métallique qui pourrait altérer le gradient de potentiel du sol. Dans le milieu agricole, cette tension entre le neutre et la terre est parfois appelée "tension parasite" car elle peut incommoder certains animaux et avoir des conséquences sur la production de la ferme. 5.3.2 Causes de variations Dans un réseau électrique, l'amplitude de la tension neutre-terre dépend d'une part de l'amplitude du courant homopolaire qui provient de la répartition de la charge entre les trois phases du réseau et d'autre part de la diffusion de ce courant entre le fil de neutre et le sol. Cette diffusion est fonction des impédances de mises à la terre, de la nature du sol, de son taux d'humidité etc. 5.3.3 Méthode d'évaluation On évalue la tension de neutre en faisant la moyenne quadratique des valeurs efficaces échantillonnées sur une période de 10 minutes tout comme la tension en régime permanent. Les méthodes de mesure sont décrites à la référence [2]. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 87 5.3.4 Valeur cible de la tension de neutre (tension neutre-terre) Pour chaque période d'une semaine, dans les conditions habituelles d'exploitation, 95 % des valeurs efficaces évaluées sur 10 minutes n'excèdent pas 10 volts *. * La tension neutre-terre peut atteindre momentanément des valeurs plus élevées (quelques kilovolts dans les pires conditions), dans un mode perturbé (Ex: court-circuit à la terre, manoeuvres monopolaires...) 5.4 INTERRUPTIONS (DURÉE1 MINUTE) 5.4.1 Description Hydro-Québec livre et fournit l'électricité sous réserve des interruptions pouvant résulter d'une situation d'urgence, d'un accident, d'un bris d'équipement ou du déclenchement de l'appareillage de protection du réseau. (Règlement 634, a.94) Elle peut interrompre, en tout temps, la fourniture ou la livraison de l'électricité aux fins de l'entretien, de la réparation, de la modification ou de la gestion du réseau ou pour des fins d'utilité publique ou de sécurité publique. (Règlement 634, a.95) 5.4.2 Causes Les interruptions accidentelles peuvent être dues à des causes internes ou externes. Dans un grand nombre de cas, elles ont pour origine des causes externes ou des événements qui ne peuvent être contrôlés par Hydro-Québec. Étant donné les différences considérables que présente l'architecture des réseaux et les effets imprévisibles des actions de tiers ou des intempéries, il est difficile d'établir des fréquences annuelles et des durées moyennes types pour ces interruptions. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 88 5.4.3 Méthode d'évaluation L'indice de continuité (I.C.), qui sert à quantifier les interruptions est une valeur cumulative pondérée sur une année; il peut résulter de plusieurs interruptions ou d'une seule interruption de plus longue durée. Il se calcule de la façon suivante; IC (heures) = Somme des clients-heures interrompus Somme des clients alimentés On peut donc calculer l'indice de continuité pour l'ensemble de la clientèle de la province, pour un territoire, pour un poste en particulier ou par ligne de distribution. Cet indice est utilisé par la grande majorité des réseaux d'électricité en Amérique du Nord pour quantifier la qualité de la continuité de service de leurs réseaux. Il s'exprime en heure(s). 5.4.4 Valeurs cibles de l'I.C. L'I.C. fait partie des objectifs de l'entreprise et les valeurs cibles provinciales font partie du plan stratégique d'Hydro-Québec publié aux deux ans. À titre d'exemple, pour 1999 et 2000, les valeurs cibles et réelles étaient: Valeurs cibles et réelles de l'IC Distribution provincial (heures pondérées) IC provincial 1999 2000 Valeur cible 2,2 2,1 Valeur réelle 2,16 1,97 Toutefois, l'information du I.C. varie avec la localisation de chaque client. Un historique de continuité de service pour la zone de chaque client peut être obtenu d'Hydro-Québec au besoin. Interruptions de durée exceptionnelle ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 89 Lorsque des circonstances échappant à la volonté d'Hydro-Québec conduisent à une interruption qui pourrait durer plus de 24 heures (ou de 12 heures en hiver), l'entreprise met en application un plan d'urgence pour rétablir le service électrique et minimiser les impacts de l'interruption. 5.5 TENSIONS HARMONIQUES 5.5.1 Description Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont les fréquences correspondent à des multiples entiers de la fréquence fondamentale (50 Hz). On considère dans la présente définition les harmoniques de longue durée, excluant les phénomènes transitoires isolés. 5.5.2 Causes Les harmoniques sont créées par des appareils dont la caractéristique tension/courant n'est pas linéaire, comme c'est le cas avec les convertisseurs électroniques de puissance des entraînements de moteurs, les redresseurs utilisés pour l'électrolyse, les fours à arc, etc. 5.5.3 Méthode d'évaluation Les tensions harmoniques se mesurent individuellement par leur amplitude (Un), généralement exprimée en pourcentage de l'amplitude de la tension fondamentale (U1)*. Le taux des harmoniques individuels (Dn) et le taux d'harmoniques total (D) se calculent suivant les relations suivantes: U Dn n = x100% (n : rang harmonique) ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 90 U 1 taux des harmoniques individuelles : 2 taux d'harmoniques total : D U n ? =?? N ? ? x100% U n=21 ?? À moins de conditions particulières, N est habituellement égal à 50. Les taux des harmoniques individuels (Dn) et le taux d'harmoniques total (D) correspondent à la valeur efficace des tensions harmoniques mesurées sur des intervalles de temps d'intégration de 10 minutes. Les niveaux de tensions harmoniques doivent être évalués à l'exclusion des périodes où se produisent des transitoires rapides, des creux de tension, des surtensions temporaires, des coupures brèves et des interruptions ou encore des périodes où la tension des trois phases tombe en deçà de 50 % de la tension nominale. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. * Remarque : Les taux d'harmoniques peuvent également être exprimés par rapport à une tension fixe de référence, comme la tension nominale, plutôt que par rapport à la tension ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 91 fondamentale. L'évaluation des taux d'harmoniques par rapport à une référence fixe permet de retrouver les niveaux absolus d'harmoniques même si la composante fondamentale fluctue. 5.5.4 Valeurs cibles Dans le cas des tensions harmoniques, le taux d'harmoniques (D) égale 8% et les différents taux d'harmoniques individuelles devraient être inférieurs aux valeurs du tableau cidessous pendant 95 % du temps sur une période de mesure d'une semaine dans les conditions habituelles d'exploitation. VALEURS CIBLES DES HARMONIQUES INDIVIDUELLES POUR LES RÉSEAUX MOYENNE ET BASSE TENSION t Harmoniques impairs Harmoniques pairs Rang harmonique n Tension harmonique Rang harmonique Tension harmonique 3 % n % 6 2 2,0 5 6 4 1,5 7 5 6 0,75 9 3,5 8 0,6 11 3,5 10 0,6 13 3 12 à 24 0,5 15 2 17 2 19 à 25‡ 1,5 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 92 † Des niveaux d'harmoniques supérieurs à ceux présentés au tableau peuvent être relevés à la suite d'événements échappant à la volonté d'Hydro-Québec, tels que des orages magnétiques. ‡ Les valeurs correspondant aux harmoniques de rangs supérieurs à 25 sont très imprévisibles en raison des effets de résonance. Les valeurs indicatives pourront être précisées d'ici quelques années à la lumière des résultats des campagne de mesure sur le réseau de distribution. 5.6 DÉSÉQUILIBRES DE TENSION 5.6.1 Description Cet indice sert à caractériser les asymétries d'amplitude et de déphasage des tensions triphasées en régime permanent. Le taux de déséquilibre de tension est défini, suivant la méthode des composantes symétriques, comme le rapport existant entre le module de la composante inverse de la tension et celui de la composante directe. 5.6.2 Causes Les déséquilibres de tension qui s'appliquent aux tensions triphasées ont deux causes principales, soient les asymétries d'impédance des lignes du réseau et les déséquilibres de charge. 5.6.3 Méthode d'évaluation Le taux de déséquilibre s'évalue au moyen de la valeur efficace des composantes directe et inverse de tension sur des intervalles de temps d'intégration de deux heures dans les conditions habituelles d'exploitation. Les périodes pendant lesquelles la tension des trois phases est inférieure à 50% de la tension nominale sont exclues de cette évaluation. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 93 5.6.4 Valeurs indicatives Les taux de déséquilibre de tension en conditions habituelles d'exploitation pendant 95 % du temps sur une période de mesure d'une semaine sont généralement inférieurs à 2%. Cependant, là où les caractéristiques des lignes et des charges ne permettent pas de répartir la charge de façon optimale entre les phases (lignes triphasées comportant de longs embranchements biphasés ou monophasés), certains déséquilibres de tension peuvent atteindre 3 % aux points de livraison triphasés, dans les conditions habituelles d'exploitation. Notes - Ces valeurs ne couvrent pas les déséquilibres dus aux événements incontrôlables tels que les orages géomagnétiques, etc. Des valeurs plus importantes peuvent être relevées pendant des durées limitées (50 % de déséquilibre de tension lors de défauts, par exemple), mais ces déséquilibres élevés de courte durée n'ont pas d'effets thermiques significatifs sur les équipements. 5.7 PAPILLOTEMENT 5.7.1 Description Le papillotement traduit l'inconfort physiologique éprouvé au niveau de la vision à la suite de changements répétitifs de luminosité de l'éclairage. À certaines fréquences, l'oeil peut percevoir l'effet sur l'éclairage de très faibles variations de tension. La plupart des appareils ne sont toutefois pas perturbés par ce phénomène. 5.7.2 Causes Le papillotement est dû aux variations répétitives de tension causées par certaines charges industrielles comme les machines à souder, les laminoirs, les gros moteurs à charge variable, les fours à arc, etc. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 94 5.7.3 Méthode d'évaluation L'indice utilisé pour évaluer le papillotement de longue durée est l'indice de sévérité Plt , évalué sur des intervalles de temps d'intégration de deux heures. Le papillotement se mesure avec un flickermètre selon la norme CEI 61000-4-15:1997 [4] dont la pondération doit être corrigée pour les lampes incandescentes à 120 V. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. 5.7.4 Valeur cible Dans les conditions habituelles d'exploitation, le niveau de papillotement lié aux variations rapides de la tension fournie est généralement inférieur à l'indice de papillotement de longue durée Plt=1 ,0 pendant 95 % du temps sur une période de mesure d'une semaine. 5.8 COUPURES BRÈVES (DUREE < 1 MIN) 5.8.1 Description Les coupures brèves correspondent à la perte momentanée de la tension d'alimentation sur toutes les phases pour des durées inférieures à 1 minute. 5.8.2 Causes La plupart du temps, les coupures brèves sont dues à l'action des dispositifs de protection des réseaux en vue d'éliminer les défauts. Sur les lignes aériennes, en moyenne tension, il est de pratique courante d'effectuer de un à trois réenclenchements automatiques dans le but de réalimenter le plus rapidement possible une ligne perturbée par un défaut fugitif. Ainsi, au lieu d'une interruption, les clients alimentés par la ligne perturbée ne subissent qu'une à trois coupures brèves dont la durée respective peut varier de 2 à 60 secondes. Évidemment tout réenclenchement a des répercussions sur tout le réseau en aval. Ainsi un réenclenchement sur une ligne de distribution moyenne tension affectera tous les clients moyenne tension et basse tension alimentés par cette ligne. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 95 Il importe de souligner que le réenclenchement automatique est utilisé pour assurer une meilleure continuité de service, puisqu'il permet d'éviter les interruptions lors de défauts fugitifs. En contrepartie, lorsque le défaut est permanent, le nombre de creux de tension (Voir chapitre CREUX DE TENSION) sur les autres lignes alimentées par la même barre de poste augmente quelque peu. 5.8.3 Méthode d'évaluation En pratique, on considère à titre de coupures brèves les affaissements de tension au cours desquels la tension résiduelle est inférieure à environ 10 % de la tension nominale. Les méthodes de mesure sont décrites à la référence [2]. 5.8.4 Valeurs indicatives Dans les conditions habituelles d'exploitation, le nombre annuel de coupures brèves peut atteindre quelques dizaines voire une centaine, selon la longueur des réseaux §. La durée d'environ 50 % des coupures brèves est inférieure à 3 secondes et celle d'environ 90 % ne dépasse pas 20 secondes. § L'annexe A présente, à titre informatif, les occurrences maximales des coupures brèves et des creux de tension mesurés à 17 sites moyenne tension du réseau d'Hydro-Québec. 5.9 CREUX DE TENSION 5.9.1 Description Les creux de tension sont des réductions soudaines de plus de 10% de la tension nominale, suivies de son rétablissement après une courte durée variant entre 8 millisecondes et une minute. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 96 5.9.2 Causes Les creux de tension sont généralement attribuables à de forts appels de courant dus à des défauts du réseau ou des installations des clients. Il s'agit d'événements aléatoires imprévisibles pour la plupart. La fréquence annuelle de ces événements dépend largement du type de réseau et du point d'observation, et leur répartition sur une année peut être très irrégulière**. 5.9.3 Méthode d'évaluation On mesure l'amplitude des creux de tension par le pourcentage de réduction de tension, et leur durée, par le temps pendant lequel la tension efficace de l'une des phases -- évaluée à chaque cycle consécutif de l'onde de 60 Hz -- tombe en dessous du seuil de 90 %†† de la tension nominale. On poursuit la mesure jusqu'à ce que la tension excède à nouveau ce seuil. Pour un même événement, l'amplitude des creux de tension mesurés en phase-neutre et en phase-phase diffèrent. Les valeurs mesurées en phase-phase sont généralement plus représentatives de l'effet des creux de tension sur les charges industrielles. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. 5.9.4 Valeurs indicatives Le nombre annuel de creux de tension est imprévisible et varie énormément d'un endroit à l'autre. En zone urbaine, là où le réseau de distribution est majoritairement souterrain, on observe en moyenne de 1 à 4 creux de tension par mois. Dans les zones rurales, ce nombre est plus important. En général, les creux de tension durent moins d'une seconde et présentent une amplitude inférieure à 60%. ** L'annexe A présente, à titre informatif, les occurrences maximales des coupures brèves et des creux de tension mesurés à neuf sites basse tension du réseau d'Hydro-Québec †† Si l'amplitude de la tension permanente est comprise entre 90% et 85 % de la tension nominale, le seuil de détection utilisé est de 85 % au lieu de 90% (par exemple, 102V pour une tension nominale de 120V). ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 97 5.10 SURTENSIONS TEMPORAIRES 5.10.1 Description Les surtensions temporaires sont des hausses soudaines de la valeur efficace de la tension de plus de 110% de la tension nominale, laquelle se rétablit après une courte durée. Les surtensions temporaires comprennent des durées entre 8 millisecondes et une minute. 5.10.2 Causes Les surtensions temporaires peuvent être attribuables à des défauts, à des délestages de charge ou à des phénomènes de résonance et de ferrorésonance. Le plus souvent, elles résultent des surtensions qui se produisent sur les phases saines lors de courts-circuits monophasés à la terre, par exemple. 5.10.3 Méthode d'évaluation On mesure l'amplitude de la surtension temporaire et la durée pendant laquelle la tension efficace de l'une des phases -- évaluée à chaque cycle consécutif de 60 Hz -- passe audessus du seuil de 110% de la tension nominale. On poursuit la mesure jusqu'à ce que la tension des trois phases tombe à nouveau sous ce seuil. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. 5.10.4 Valeurs indicatives L'importance des surtensions qui se manifestent lors de courts-circuits monophasés à la terre varie en fonction de l'endroit du défaut, de l'impédance du réseau et du régime de mise à la terre du neutre, comme suit : · dans le cas des réseaux dont le neutre est effectivement mis à la terre, les surtensions phase-terre survenant sur les phases saines sont généralement inférieures à 140 % et ont ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 98 une durée typique de quelques cycles à quelques secondes, suivant la rapidité des dispositifs de protection utilisés pour éliminer le défaut ; · dans le cas des réseaux dont le neutre est isolé ou flottant, les surtensions phase- terre survenant sur les phases saines peuvent atteindre 180 %*, et les réseaux de ce type sont conçus en fonction de ces contraintes. Note: Des surtensions plus élevées peuvent se manifester en cas de défaut d'arc à la terre, quand la mise à la terre est de type capacitif, mais cette situation serait anormale. 5.11 VARIATIONS DE FRÉQUENCE 5.11.1 Description La fréquence nominale de la tension alternative fournie par le réseau d'Hydro-Québec est de 60 Hz. Cette valeur est déterminée par la vitesse des alternateurs des centrales. 5.11.2 Causes de variations Le maintien de la fréquence d'un réseau dépend de l'équilibre établi entre la charge et la puissance des centrales. Comme cet équilibre évolue dans le temps, il en résulte de petites variations de fréquence dont la valeur et la durée dépendent des caractéristiques de la charge et de la réponse de la production. Par ailleurs, le réseau peut être soumis à des variations plus importantes dues à des défauts ou des variations de charge ou de production qui causent des variations de fréquence temporaires dont l'amplitude et la durée dépendent de la sévérité de la perturbation‡‡. 5.11.3 Méthode d'évaluation L'évaluation est fondée sur la mesure de la valeur moyenne de la fréquence fondamentale de la tension en réseau évaluée sur des échantillons de 12 cycles consécutifs. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 99 5.11.4 Valeur cible La valeur suivante est basée sur la norme CENELEC-EN50160 [1]. Dans les conditions normales d'exploitation, la fréquence du réseau principal est maintenue dans une plage inférieure à plus ou moins 1% ou 0,6 Hz (soit de 59,4 Hz à 60,6 Hz), pendant au moins 99 % du temps sur une période de mesure d'une semaine. ‡‡ L'annexe B présente, à titre informatif, des statistiques de variations maximales de fréquence en régime perturbé relevées sur le réseau de transport principal d'Hydro-Québec entre Février 1991 et décembre 1998. Aussi, on peut constater que les variations de fréquence en conditions normales, sont inférieures aux valeurs cibles. Remarque : Des variations de fréquence plus élevées, par exemple, de plus ou moins 4 Hz par rapport à la fréquence fondamentale de 60 Hz (56 Hz à 64 Hz), peuvent se produire temporairement sur des parties de réseau qui se retrouveraient îlotées à la suite de perturbations majeures ou de pannes. 5.12 VARIATIONS RAPIDES DE TENSION 5.12.1 Description Les variations rapides de tension sont des variations soudaines, mais relativement faibles, de la tension se produisant à l'intérieur des plages définies pour l'amplitude de la tension en régime permanent. Les variations rapides de tension occasionnelles n'ont pas nécessairement beaucoup d'effet sur le papillotement, mais elles peuvent perturber certains équipements et doivent par conséquent être limitées en amplitude. 5.12.2 Causes La plupart du temps, elles résultent de variations de la charge des clients ou de manoeuvres sur le réseau. Elles peuvent être occasionnelles ou répétitives. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 100 5.12.3 Méthode d'évaluation Il s'agit d'établir la différence maximale des tensions efficaces entre deux intervalles, choisis parmi trois intervalles consécutifs de trois secondes. La valeur efficace de la tension est évaluée sur des intervalles de temps d'intégration de trois secondes. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. 5.12.4 Valeurs indicatives Dans les conditions habituelles d'exploitation l'amplitude des variations rapides de tension ne devrait pas, de façon générale, excéder 8 % de la tension nominale. Dans certains environnements particuliers (un parc industriel par exemple), elles peuvent atteindre 10 % de la tension nominale. 5.13 SURTENSIONS TRANSITOIRES - BASSE TENSION 5.13.1 Description On classe généralement dans cette catégorie les perturbations de très courte durée, qui durent typiquement moins d'un demi-cycle, c'est-à-dire de quelques microsecondes (us) à plusieurs millisecondes (ms). Les surtensions transitoires peuvent être unidirectionnelles ou oscillatoires et elles peuvent endommager les isolants de l'appareillage ou des composantes électroniques. 5.13.2 Causes Les surtensions peuvent être reliées à : · des manoeuvres sur les lignes et les équipements en réseau, notamment des commutations de batteries de condensateurs qui se traduisent par une onde oscillatoire amortie superposée à l'onde fondamentale et présentent une fréquence généralement comprise entre 100 Hz et 9 kHz, et d'une durée de crête inférieure à 1/2 cycle ; ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 101 · des commutations de charges inductives qui se traduisent par des transitoires à front raide dont le temps de montée typique varie entre 0,5 us à 5 us; · la foudre qui se traduit à l'extérieur des bâtiments par une impulsion unidirectionnelle présentant, dans les cas les plus rapides, un temps de montée de l'ordre de la microseconde et une valeur crête pouvant atteindre 10 kV, voire 20 kV; · la foudre qui se traduit à l'intérieur des bâtiments par une onde oscillatoire amortie caractérisée par une fréquence de 5 kHz à 500 kHz, un temps de montée inférieur à une microseconde et une valeur crête typiquement limitée à 6 kV,. Les surtensions transitoires diminuent rapidement à mesure que la distance entre la source de perturbation et la charge réceptrice augmente. Pour certains équipements à éléments inductifs, le facteur dU/dt peut être important. 5.13.3 Méthode d'évaluation L'évaluation consiste à mesurer la forme d'onde de tension et sa valeur crête instantanée avec une chaîne de mesure dont la bande passante est suffisante par rapport à la fréquence des phénomènes considérés. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. 5.13.4 Valeurs indicatives Les valeurs crêtes des surtensions transitoires en circuit ouvert (pire cas) se limitent généralement à 6kV à l'intérieur des bâtiments et à 10kV ou 20 kV à l'extérieur. Ces valeurs ont été établies en fonction des tensions d'isolement des installations basses tension. En pratique ces valeurs seront réduites considérablement par la présence des charges raccordées et de leurs dispositifs de protection. Dans le cas de la mise sous tension de batteries de condensateurs shunt, manoeuvre fréquente sur le réseau, l'amplitude de la surtension transitoire est typiquement inférieure à 2 fois la tension ligne-terre crête du réseau. Cette valeur peut être plus élevée en présence ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 102 de réflexion d'onde ou de résonance entre les équipements du client et le réseau d'alimentation. 5.14 SURTENSIONS TRANSITOIRES - MOYENNE TENSION 5.14.1 Description On classe généralement dans cette catégorie les perturbations de très courte durée, qui durent typiquement moins d'un demi-cycle, c'est-à-dire de quelques microsecondes (us) à plusieurs millisecondes (ms). Les surtensions transitoires peuvent être unidirectionnelles ou oscillatoires et elles peuvent endommager les isolants de l'appareillage ou des composantes électroniques. 5.14.2 Causes Les surtensions peuvent être reliées à : · Des manœuvres sur les lignes et les équipements en réseau, notamment des commutations de batteries de condensateurs qui se traduisent par une onde oscillatoire amortie superposée à l'onde fondamentale et présentent une fréquence généralement comprise entre 100 Hz et 9 kHz, et d'une durée de crête inférieure à 1/2 cycle ; · La foudre qui se traduit généralement par une impulsion unidirectionnelle présentant, dans les cas les plus rapides, un temps de montée de l'ordre de la microseconde. Ces surtensions transitoires font l'objet d'une attention particulière pour la coordination de l'isolement des équipements raccordés au réseau moyenne tension ; divers documents en traitent dont les normes ACNOR CAN3-C308 [4] et CEI 71 [6]. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 103 5.14.3 Méthode d'évaluation L'évaluation consiste à mesurer la forme d'onde de tension et sa valeur crête instantanée avec une chaîne de mesure dont la bande passante est suffisante par rapport à la fréquence des phénomènes considérés. La méthode de mesure est décrite à la référence [2]. 5.14.4 Valeurs indicatives Dans le cas de la mise sous tension de batteries de condensateurs shunt, manoeuvre fréquente sur le réseau, l'amplitude de la surtension transitoire est typiquement inférieure à 2 fois la tension ligne-terre crête du réseau. Cette valeur peut être plus élevée en présence de réflexion d'onde ou de résonance entre les équipements du client et le réseau d'alimentation. ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 104 ISET de Sidi Bouzid/Nom de la société : Prénom et NOM de l’étudiant (e) Page 105
