Systèmes - Notions théoriques: Refroidissement

FORMATION
BATIMENT DURABLE :
PASSIF ET (TRES)
BASSE ENERGIE
Journée 3.4
Systèmes - Notions théoriques
Refroidissement
Piotr Wierusz-Kowalski
PRINTEMPS 2014
[email protected] – www.mkengineering.be
2 OBJECTIF(S) DE LA PRESENTATION
● Identifier les besoins en froid et penser préalablement à les
minimiser
● Comprendre les paramètres du système de production de froid
● Estimer l’impact sur les critères de certification (c-à-d l’Energie
Primaire) du choix du système de production et d’émission du froid
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3 TABLE DES MATIERES
RAPPEL DES CRITÈRES DE CONCEPTION
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
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4 CRITÈRES DE CONCEPTION – CRITÈRE DE CERTIFICATION
● Dans le résidentiel, le refroidissement n’est pas considéré!
● Objectif : se passer de refroidissement actif!
Critères à respecter
Besoin net en énergie de chauffage
Besoin net en énergie de refroidissment
Test d'étanchéité à l'air n50
Probabilité du risque de surchauffe
Critère en énergue primaire - Ep
Critères à respecter
Besoin net en énergie de chauffage
Besoin net en énergie de refroidissment
Test d'étanchéité à l'air n50
Probabilité du risque de surchauffe
Critère en énergue primaire - Ep
Primes en RBC (régime ≥ 1/1/2012) - Bâtiment RESIDENTIEL - Standard Passif
≤ 15kWh/m².an
≤ 0,6 h-1
selon la méthode A de la NBN EN 13829 (5)
0,05ou 5%
(comprenant le chauffage, ECS, les auxiliaires, le
solaire thermique, le photovoltaïque et la
≤ 45kWh/m².an
cogénération)
Primes en RBC (régime ≥ 1/1/2012) - Bâtiment RESIDENTIEL - Standard très basse énergie
≤ 30kWh/m².an
selon la méthode A de la NBN EN 13829 (5)
(comprenant le chauffage, ECS, les auxiliaires, le
≤ 95kWh/m².an
photovoltaïque et la cogénération)
Source : Vademecum PMP
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5 CRITÈRES DE CONCEPTION – CRITÈRES DE CERTIFICATION
● Certification Passive (non-résidentiel – permis déposé après le
30/06/2009)
Critères à respecter
Primes en RBC (régime ≥ 1/1/2012) - Bâtiment TERTIAIRE - Standard Passif
Besoin net en énergie de chauffage
≤ 15kWh/m².an
(1)
Besoin net en énergie de refroidissment
≤ 15kWh/m².an
(1)
Test d'étanchéité à l'air n50
Probabilité du risque de surchauffe
Critère en énergue primaire - Ep
≤ 0,6 h-1
selon la méthode A de la NBN EN 13829 (5)
0,05 ou 5%
Simulation dynamique requise
≤ 90 - 2,5 x compacité
(2) (4)
Source : PMP
N Le refroidissement actif intervient dans la lutte contre la surchauffe après les
moyens passifs.
N But : être sous le seuil des 5 % des risques de surchauffe, pour des besoins
en refroidissement inférieurs à 15 kWh/m².an en minimisant les
consommations en Ep.
● Ensemble des données et résultats présentés sont spécifiques au
tertiaire
● La simulation dynamique est requise pour le tertiaire passif > 1000 m²
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6 CRITÈRES DE CONCEPTION – STRATEGIE DE CONCEPTION
● Stratégies passives :
N
N
N
N
Limiter les gains internes
Limiter les gains externes (protections solaires)
Evacuer la surchauffe par l’air
Utiliser l’inertie pour absorber la chaleur pendant la journée et
l’évacuer la nuit.
Source : MK Engineering
● Ces mesures sont validées par simulation dynamique
● Le solde de la surchauffe peut être traité par des moyens actifs en
vue de ramener les risques de surchauffe à < 5%
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7 CRITÈRES DE CONCEPTION – CONFORT ESTIVAL
● Notion de confort développé lors de la 1ère journée de formation
● La certification impose un maximum de 5% de surchauffe
N 5 % correspond à un nombre d’heures au-dessus de 25°C
pendant l’occupation du bâtiment.
● Le confort est subjectif, il est fonction :
N De l’habillement
N Du métabolisme
N Des paramètres physiques suivants
● Paramètres : température (air/parois/opérative), humidité, vitesse
de l’air
Source : Energie +
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8 CRITÈRES DE CONCEPTION – OCCURRENCE DES BESOINS
● Exemple de besoins de chaud et de froid pour un bâtiment tertiaire
[kWh]
20
2750
15
2250
10
1750
5
1250
0
Besoins chaud
1
Besoins froid
-5
750
-10
250
-250
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
-750
N Occurrence des besoins de froid réduits
N Besoins de chaud et de froid peuvent être simultanés
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12
[mois]
9 CRITÈRES DE CONCEPTION – PUISSANCES RELATIVES
● Fonction de l’affectation, de la conception et des moyens passifs
● 2 exemples avec des comportements et stratégies différentes :
N Bâtiment de bureaux
• Puissance frigorifique nécessaire de 5 W/m²
pour des besoins frigorifiques de 1,6 kWh/m².an
Source : MK Engineering
N Maison de repos et de soins
• Puissance frigorifique nécessaire de 25 W/m²
pour des besoins frigorifiques de 4,7 kWh/m².an
Source : 3E
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10 CRITÈRES DE CONCEPTION – ENERGIE RELATIVE
● Projets Non-Résidentiels
Besoins énergétiques nets
200
180
160
120
Electricité auxilaires
100
Eclairage
Refroidissement
80
Chauffage
60
Energie primaire
40
200
20
180
0
PEB
TBE
160
PASSIF
140
kWhp/m².an
kWh/m².an
140
120
E
100
E
80
R
C
60
40
20
0
PEB
TBE
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PASSIF
11 CRITÈRES DE CONCEPTION – DIMENSIONNEMENT
● Puissance de froid
N Sur base d’un bilan des apports (méthode Carrier)
• Apports externes
• Apports internes
∙ Eclairage
∙ Occupants
∙ Postes de travail
∙ Cuisines
∙ …
N Sur base d’une simulation dynamique
• Permet de tenir compte des moyens passifs de refroidissement
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12 RAPPEL DES CRITERES DE CONCEPTION – SYNTHESE
● Favoriser préalablement les stratégies passives
● Le traitement en froid actif a pour objectif de contrôler les
confort
N en période estivale
N mais aussi sur de plus longues périodes dans les zones à fortes
charges internes
● Il peut exister des périodes de simultanéité avec les besoins en
chaud
● Le traitement actif en froid impact les besoins en Energie
primaire
● Les besoins en froid (actifs) sont très variables en fonction de
l’affectation et de la physique du bâtiment
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13 TABLE DES MATIERES
CRITÈRES DE CONCEPTION
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
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14 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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15 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – TERMINOLOGIE
● Free-cooling
N Valorisation de l’air frais extérieur
N By-pass récupérateur de chaleur sur la ventilation
N  pulsion de l’air frais extérieur
● Top-cooling
N Rafraichissement contrôlé de l’air pulsé
N Moyen actif nécessaire
N Ex : pulsion à 18°C par 30°C extérieur
● Night-cooling
N Valorisation de la fraîcheur nocturne
N Ventilation intensive du bâtiment pour décharge de l’inertie
N Ventilation :
• Mécanique
• Naturelle
• Hybride
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16 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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17 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe
● Le but est de transférer l’énergie d’un milieu froid vers un milieu chaud.
 Peut être réversible  PAC
Compresseur = consommation de
force motrice
Evaporateur
= Absorption
de la chaleur
Condenseur
= rejet de la
chaleur
Vanne de détente
Source : MK Engineering
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18 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe
● Les machines frigorifiques fonctionnent par transfert d’énergie, et non par
combustion.
Source : Eurovent
 le rendement est toujours supérieur à 100%
● Fluide frigorigène de production :
N CFC interdits
N HFC  R-134a, R-407, R-410,… (mais restent soumis à des normes
environnementales)
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19 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Rendement
● Rendements
N EER : rendement de l’appareil à pleine charge :
NBN EN 14511
Source : Energie +
N ESEER : rendement saisonnier
N Certification Eurovent = garantie
Source : Eurovent
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20 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe
● Ordre de grandeur (condenseur à air)
N Machine traditionnelle
Source : DAIKIN
N Machine optimisée
Source : UNICO
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21 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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22 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – DISTRIBUTION - Généralité
● Fluide de distribution :
N Distribution directe avec le fluide frigorigène
N Distribution par eau (eau glacée)
N Distribution par air (par la ventilation)
● Mêmes critères que pour la distribution de chauffage :
N Pertes thermiques  calorifuge
Source : MK Engineering
N Consommation électrique des auxiliaires  dimensionnement
des réseaux et sélection des auxiliaires
N Zonage : voir remarque chauffage et chapitre régulation
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Source : Grundfoss
23 SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Détente directe
● Pas de fluide intermédiaire, la machine travaille en direct avec
évaporateur dans la zone à traiter
Source : Energie +
N Avantages :
• Prix réduit, régulation simplifiée
N Inconvénients :
• Distribution du fluide froid dans le bâtiment (normes environnementale)
• Fonctionne pour un nombre limité de locaux (multi-split)
• Esthétique ?
N Application :
• Locaux à charges de climatisation spécifiques et localisée (type salles
informatiques,…)
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24 SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Eau glacée
● L’énergie frigorifique est distribuée par de l’eau glacée
N Avantages :
Source : Energie +
• Le traitement froid est indépendant de la ventilation
• Régulation plus facile pièce par pièce
• Charge de fluide frigorigène faible et limité à la machine frigorifique
N Inconvénients :
• Distribution du fluide froid dans le bâtiment
N Application :
• Zones où les besoins de climatisation sont élevés et diversifiés
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25 SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Par l’air
● L’énergie frigorifique est distribuée par l’air
N Avantages :
Source : Energie +
• Permet de jouer sur l’humidité de l’air (préchauffage, humidification,…)
• Pas d’équipement nécessaire dans les pièces
N Inconvénients :
• Nécessite de gros débits d’air
∙ Du coup, les ventilateurs consomment et dégagent de la chaleur
∙ Encombrement des réseaux aérauliques non négligeable
• Dépendance de la ventilation hygiénique avec le traitement climatique
N Application :
• Zones où les débits sont élevés et les besoins de climatisation sont faibles
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26 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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27 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – EMISSION
● Batterie froide (ou réversible)
N Avec effet de déshumidification
● Ventilo-convecteur
N 2 ou 4 tubes
N Génère du bruit
Source : Daikin
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28 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – EMISSION
● Plafonds froids
N Puissance limitée (40…100 W/m²)
N Régime de T° élevé (15°C)  pas de condensation
● Poutres rafraichissantes
N Statiques ou dynamiques (réseau d’air haute pression)
N Régime de T° élevé
● Slab cooling
N Inertie élevée
N Pour rafraichissement nocturne
N Puissance limitée
N Régime de T° élevé
Sources : Energie +
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29 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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30 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – REGULATION
● Objectif :
N Assurer le contrôle du confort
N Optimiser les consommations du système
● Moyens :
N Par ajustement de la T° ambiante (aux horaire, besoins,…)
N Via ajustement des conditions de fonctionnement du système
● Techniques :
N Grande diversité de techniques, fonction des systèmes
(production, distribution, émission)
N Créativité et originalité
N MAIS attention à l’exploitation et la compréhension de
l’utilisateur final
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31 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – REGULATION
● Points d’attention :
N Plage neutre
Puissances chaud/froid
T° chaud
T° froid
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Plage
neutre
-10
0
10
20
30 T° ext (°C)
Source : MK ENgineering
• Attention, dans certains cas, besoins simultanés de chaud et froid
N Chaque façade, chaque affectation a des besoins différents
• Zonage
• Commande localisée
N Identification claire
d’explication, …
des
commandes,
écolage,
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manuel
32 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
Condenseur
Evaporateur
Exercice pratique
Free chilling
Récupération de chaleur
Refroidissement alternatif
ENERGIE PRIMAIRE
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33 SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION - Condenseur
● Comme spécifié dans la formation « chauffage » il existe des
groupes : air/air, air/eau, eau/eau, …
● Système monobloc à condenseur air
N Faible investissement
N Rendement faible
N Maintenance aisée
● Condenseur à eau
N Source d’eau:
•
•
•
•
Dry-cooler (refroidis par air)
Tour de refroidissement (maintenance !)
Sol (géothermie)
Captage d’eau…
N Investissements plus élevés
N Rendement potentiellement plus élevé
Source : Energie +
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34 SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION - Evaporateur
● Température de fonctionnement
N Intérêt à travailler à haute température, favorise :
• La diminution des pertes de distribution vers l’ambiance
• La non-condensation de l’air (12°C)
• L’augmentation du rendement
N Travailler à un régime supérieur : 12 – 17°C et non (6 -11°C)
• Nécessite un échangeur à haute température
∙ Plafond froid
∙ Ventilo-convecteur sur-dimensionné
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35 SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Exercice pratique
● Présélection d’un appareil de production de froid sur base d’une fiche
technique de fabricant.
Sélection d’une machine à analyser suivant :
N Régime de température ((évaporateur)
• Choix des unités intérieures  impact sur évaporateur
• Conditions extérieurs  T°ext ou choix du condenseur
N Analyse de l’impact sur le rendement (EER)
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36 SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Free chilling
● Free-chilling
N Quand T° « source » basses, arrêt du compresseur et
refroidissement gratuit par échange avec air extérieur
Source : Energie +
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37 SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Stockage d’énergie
● Stockage
N Diminution de la puissance installée
N Optimisation de la facture (tarif de nuit)
N Meilleur rendement de nuit (T°extérieure inférieure)
N Problématique de l’encombrement
Source : Energie +
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38 SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Récupération de chaleur
● Récupération de chaleur sur condenseur
N Pour circuit chauffage
N Pour préchauffage d’ECS
Source : Energie +
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39 SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Refroid. adiabatique
● Refroidissement adiabatique :
N L’évaporation de l’eau refroidit « gratuitement » l’air repris
N L’air frais peut alors refroidir l’air neuf
N Peu de contrôle et efficacité fonction des conditions extérieures
N Ambiance humide et chaude, donc :
• résistance des matériaux à la corrosion à prévoir
• risque de développement de bactérie
• maintenance accrue
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40 SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Machine ad/ab -sorption
● Machines à ad/bsorption
N Le compresseur est remplacé par un procédé thermochimique
Sources : Energie +
N Cout d’investissement plus élevés
N Pertinent si on dispose d’un déchet thermique à revaloriser
N Principe de la « trigénération » :
• Cogénération pour électricité et chaleur en hivers
• En été, la chaleur est envoyée vers la machine frigo
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41 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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42 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – ENERGIE PRIMAIRE
● A partir des BNEF, avec les apports internes défavorables
N Besoins nets en refroidissement introduits (ex : 10 kWh/m².an)
N COP (ESEER) à introduire
Refroidissement avec PAC électrique
Taux de couverture du besoin de refroidissement
Source de chaleur
(Projet)
Valeur en énergie primaire
Facteur d'émission CO2
(équivalent CO2)
kWh/kWh
g/kWh
2.5
680
7.6
2.1
100%
Electricité
3.3
3.0
Coefficient de performance (COP) de refroidissement annuel
Besoin en énergie de refroidissement
Attention! Energie finale
N BNEF / ESEER  Energie Finale (besoins …)
N EF * Coef. EP  Consommation en énergie primaire
Paramètre principal : ESEER
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43 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – ENERGIE PRIMAIRE
● Tableau de conversion en énergie
primaire :
Vecteur énergétique
Fp
Electricité
2,50
● Comparaison d’une optimisation des performances
Besoins Net : 15 kWh/an.m² et 5 kWh/an.m²
Pertes de distribution du réseau de chauffage : 1,0 kWh
Besoins nets
Besoins bruts
ESSER
Energie finale
Energie primaire
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWhp]
15
15+ pertes = 16,0
3
16 / 3 =
5,33
5,33 x 2,5 = 13,3
15
15+ pertes = 16,0
5
16/ 5 =
3,20
3,20 x 2,5 =
8,0
5
5+ pertes =
6,0
3
6 /3=
2,00
2,00 x 2,5 =
5,0
5
5+ pertes =
6,0
5
6/5=
1,20
1,20 x 2,5 =
3,0
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44 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – SYNTHESE
● Free-cooling, Top-cooling, Night-cooling … une terminologie
adaptée…
● Une machine frigo n’est qu’une pompe à chaleur inversée… ou
l’inverse !
● Distribuer le froid par le fréon, l’air ou l’eau glacée, il existe une
panoplie de solutions.
● Des rendements de fonctionnement variables et optimisables
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45 CE QU’IL FAUT RETENIR DE L’EXPOSE
● Mettre en œuvre un maximum de stratégies de conception
passive pour éviter et minimiser les besoins en froid
● Un appoint en refroidissement actif peut être envisagé, celui-ci
doit être adapté à la fonction du bâtiment
● Il existe des certificats renseignant les performances de
l’appareil. L’ensemble du système doit être conçu dans l’idée
d’une rationalisation de l’énergie
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46 OUTILS ET REFERENCES
● Outils, sites internet, etc… intéressants :
N Vademecum PMP
N http://www.energieplus-lesite.be/
N alter-clim (IBGE)
● Références Guide bâtiment durable et autres sources :
N Guide bâtiment durable :
• http://app.bruxellesenvironnement.be/guide_batiment_durable
Fiche :
stratégie passive : ENE05, ENE06, ENE07
stratégie active : ?
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47 CONTACT
Piotr Wierusz-Kowalski
Ingénieur Responsable de Projets
Coordonnées :

: 02/340.65.00

: [email protected]
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48 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – QUESTIONS / RÉPONSES
?
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49
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
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