1 IEPS Colfontaine Section Énergies et Environnement Année scolaire 2006 - 2007 Construction basse...

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IEPS Colfontaine

Section Énergies et Environnement

Année scolaire 2006 - 2007

Construction basse énergie

Suivi d’un projet de bâtiment administratif

Travail de fin d’étude

La Rocca Francesco

IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

2

Observer dans la pratique l’évolution d’un tel projet

Aborder le point de vue techniques/matériaux de construction Aborder le point de vue technologies/matériels de chauffage & refroidissement

Transposer dans la pratique la théorie vue en cours

bâtiment administratif

Inspiré des critères basse énergie

Étude intégrée : bâtiment - systèmes de chauffage/refroidissement


Origine du projet

Buts du stage

Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif

3IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Vues du bâtiment


4

Élévation avant

Élévation arrière


50 m


5

ÉLÉVATION LATÉRALE GAUCHE

ÉLÉVATION LATÉRALE droite


30 m


7

Pôle énergie

PROVINCE du HAINAUT

Architectes

Techniques spéciales

Faculté PolytechniqueMons



Acteurs du projet

8

Définir les principales caractéristiques de construction

Définir les principales caractéristiques de Système de chauffage et refroidissement

Minimisation Be via une conception adaptée du bâtiment

Minimisation Be énergie primaire non renouvelable

Prises en comptes des fonctions du bâtiment (horaires, apport internes)

Assurer le confort

Techniques de conception éprouvées

Matériaux éprouvées et aisément disponible

Techniques de chauffages et refroidissement éprouvées


Les Objectifs


Contraintes

9

Visite de bâtiments - VIESSMAN à Roulers



10

Évaluation des Be annuels en énergie de chauffage et refroidissement.

Echanges réguliers d’informations entre la FPMs et les techniques spéciales

Évaluations successives des Be

Réorientation des choix de conception, matériaux et technologiques

conditionnant au final les systèmes de chauffage et de refroidissement

la consommation d’énergie annuelleles puissances nécessaires

Mode opératoire



Be

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PAC géothermique utilisant le sol avec échangeurs verticaux intégrés aux fondations utilisant l’eau à partir de la nappe phréatique (Puisage ≈ 80 m, réinjection, ≈ 50 m)

Système de distribution par plancher

L’ECS produite à partir de panneaux solaires

Choix de départ pour le chauffage

Choix de départ pour le refroidissement

Utilisation d’un système passifs

Deux sources possibles (la nappe phréatique, échangeurs verticaux)

Complément dynamique nocturne via la VMC



12

Détermination de la compacitéPrise de conscience de la nécessité de maîtriser les apports internes Influence du K sur la demande de chauffage et sur les surchauffes

Les étapes - Étude de l’enveloppe



C

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

K20 K25 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K35 K40 K45

Pour le niveau d’isolation K30, Variation simultanée de plusieurs paramètres: répartitions surfaces vitrées facteur d’ombrage Fixefacteur d’ombrage variable

BekWh/(m².an)

Indice surchauffe °C

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Les étapes - Étude de l’enveloppe

Les enseignements au niveau Be de chauffage et allures des surchauffes

Les niveaux d’isolation K30-K40 raisonnables

Permettent le respect du budget et donnent lieu à une demande en énergie de chauffagegérable par un système de distribution par le sol associé à une PAC

Nouveaux bâtiments Rénovation lourde

Logements K55 K65

Bureaux et écoles K65 K70

législation existante



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Après la méthode normalisée, étude réalisé par TRNSYS

TRNSYS: Outils informatique utilisé par la FPMs permettant d’obtenir un profile des Be en fonction du temps

Nombreuses simulations

action bénéfique d’un récupérateur de chaleur sur les Be

Obligation pour assurer le confort thermique de procéder à un chevauchement Ponctuels pour des périodes chauffe & refroidissement

Les étapes -- Be en fonction du type de parois et de l’épaisseurs de l’isolant



S

15

Les étapes – Récupérateur de chaleur



S

Installation sans récupération

Installation avec récupération.

16

Les étapes – Simulation dynamique

Période de chauffe

Période de rafraîchissement

Renouvellement d’air [h-1]

Quantité de chaleur

[kWh/an] ; [kWh/m².an]

Puissance de

chauffe max [kW]

Quantité de froid


Puissance de refroidissement

max [kW]

Cas 4 Toute l’année 228 369 ;

10,081,5

Cas 5 1/10 15/05 16/05 30/09 2 19 470 ; 6,9 50,0 1599 ; 0,56 84,7

Cas 6 1/10 31/05 1/06 30/09 1 7 917 ; 2,8 37,8 6125 ; 2,16 77,2

Cas 7 1/10 31/05 1/06 30/09 1,513 286 ;

4,744,3 2902 ; 1,02 79,1

Figure 9 : modèle mono zoneDemande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) avec récupération de chaleur sur l’air extrait :

Période de chauffe

Période de

rafraîchissement

Renouvellement

d’air [h-1]

Quantité de chaleur [kWh/an] ;

[kWh/m².an]

Puissancede

chauffe max [kW]

Quantité de froid


Puissance de

refroidissement max [kW]

Cas 1 Toute l’année 0,75 116 985 ; 41,3 106,0

Cas 2 1/10 30/04 1/05 30/09 0,75 116 492 ; 41,1 106,0 8756 ; 3,0 75,2

Cas 2 bis 1/10 15/04 16/04 30/09 0,75 115 013 ; 40,6 106,0 8798 ; 3,1 75,2

Cas 3 1/10 15/05 16/05 30/09 0,75 116 848 ; 41,2 106,0 8756 ; 3,0 75,2

Figure 8: modèle mono zoneDemande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) sans récupération de chaleur sur l’air extrait :



17

Cas 9 Cas 10 Cas 11 Cas 12

β [h-1] 1,5 0,75 0,75 1

Quantité de chaleur NORD [kWh/an] ; [kWh/m².an]

28 935 ; 10,2 18 210 ; 6,4 18 269 ; 6,4 21 733 ; 7,7

Quantité de chaleur SUD [kWh/an] ; [kWh/m².an]

12 922 ; 4,6 7593 ; 2,7 7593 ; 2,7 9305 ; 3,3

Quantité de chaleur TOTALE 41 857 ; 14,8 25 803 ; 9,1 25 862 ; 9,1 31 308 ; 11,0

Quantité de froid NORD [kWh/an] ; [kWh/m².an]

201 ; 0,07 558 ; 0,19 337 ; 0,12 618 ; 0,22

Quantité de froid SUD [kWh/an] ; [kWh/m².an]

385 ; 0,13 1394 ; 0,49 1194 ; 0,42 1573 ; 0,56

Quantité de froid TOTALE 586 ; 0,20 1952 ; 0,68 1532 ; 0,54 2191 ; 0,77

Puissance de chauffe MAX [kW]

43,9 36,6 36,5 39,0

Puissance de froid MAX [kW] 55,5 53,5 53,5 48,4

Figure 10 : modèle multizones Demande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) avec récupération de chaleur sur l’air extrait

Cas 9 et 10: période chauffe 1er oct. 31 maiCas 11 : période chauffe 1er oct. 30 avril (zone sud)

1er oct. 31 mai (zone nord) Cas 12 : période chauffe 1er oct. 1er juin

: Période refroidissement 1er mai 1er oct. En mai chauffe&refroidissement possibles

simultanément.

Les étapes – Simulation dynamique



Quantité de chaleur selon bâtiment

Type bâtiment kWh/m².an

Existants 150-450

Réhabilitation 45-75

Neuf standards 115-300

Basse Energie 35

Passifs 15

18

x ECS

Reprise

Pulsion

Rejetd’air

Air neuf 3

4

1

2

Schéma hydraulique



19

Choix de production et distribution chauffage

La puissance de la PAC fixée finalement à 50 kW (39kW + 28%)

La puissance dissipée par le plancher chauffant est de 18 W/m² (alors que 58 W/m² est un maximum)

Nappe phréatique car mise en œuvre aisée, stabilité t °, pas recharge thermique



20

Hypothèse dimensionnement PAC

t° entrée à partir de la nappe 10°Ct° sortie vers la nappe 5°Ct°entrée du fluide frigorifique 7°Ct°sortie du fluide frigorifique 2°Cε échangeur 62,5%t° évaporateur -1°Csurchauffe à l’aspiration +5Kt° fluide caloporteur à l’entrée plancher 35°Ct° fluide caloporteur à la sortie plancher 30°Ct° fluide frigorigène au condenseur 38°Cη isentropique 0,7η électrique 0,9Puissance 50kWPuissance électrique compresseur 15,21 kWhPuissance électrique pompe de puisage 1 kWhTemps fonctionnement 620hConsommation électrique 10050 kWh/an (16,21 kWh * 620h)



21

50kW

10°C 5°C

2°C

7°C4°C

38°C35°C

30°C

HIVER SF

33°C

HIVER SC

-1°C



Hypothèse dimensionnement – Schéma de principe

22

Hypothèse dimensionnement via COOLPACK

Refrigerant: R404AValues at points 1-6,15 for the selected one stage cycle

|| x x 2| x x '|| 4 ___x______________x______ _'_|| | x x ' 3| 15|x x '| x x '| x| x '| x |_________________x__6 '| x 5 x |'| x x 1| x x|_______________________________________

Point T P v h s [°C] [bar] [m^3/kg] [kJ/kg] [kJ/(kg K)] 1 4,084 5,839 0,035327 372,250 1,6334 2 55,133 17,297 0,012264 404,021 1,6628 3 55,133 17,297 0,012264 404,021 1,6628 4 37,687 17,297 N/A 259,553 N/A 5 N/A 5,839 N/A 259,553 N/A 6 4,084 5,839 0,035327 372,250 1,6334 15 N/A 17,297 N/A 259,553 N/A

Te [°C] = -1,00Tc [°C] = 38,00DT subcooling [K] = 0,00DT superheat [K] = 5,00Dp condenser [Bar] = 0,00Dp liquid line [Bar] = 0,00Dp evaporator [Bar] = 0,00Dp suction line [Bar] = 0,00Dp discharge line [Bar] = 0,00Isentropic efficiency = 0,70---------------------------------------------Calculated:Qe [kJ/kg] = 112,697Qc [kJ/kg] = 144,469W [kJ/kg] = 31,771COP [-] = 3,55Pressure ratio [-] = 2,962---------------------------------------------Dimensioning:Qe [kW] = 0,000Qc [kW] = 0,000m [kg/s] = 0,00000000V [m^3/h] = 0,0000Volumetric efficiency = 0,00Displacement [m^3/h] = 0W [kW] = 0,000Q loss [kW] = 0,000

1812



23


1812



24

COPPu / P dépensée 50 kW / 16,21 kW = 3,08Puissance calorifique = 404,021 – 259,553 = 144,468 kJ/kgPuissance frigorifique = 372,250 – 259,553 = 112,697 kJ/kgPuissance compresseur = 404,021 – 372,250 = 31,771 kJ/kg

COP Chaud = 144,468 / 31,771 = 4,55COP Froid =112,697 / 31,771 = 3,55

COP ne tenant pas compte de la désurchauffePuissance calorifique384,560 – 259,553 = 125,007 kJ/kgCOP = 125,007 / 31,771 = 3,93

Cop idéal froid TF / TC-TF10 + 273,15 / (20 + 273,15) – (10 + 273,15)283,15 / 293,15 – 283,15 = 28,3

η = 3,08 / COPidéal = 3,55 / 28,3 =0,108

log p

h

55,133°C

17,29737,687°C

-1°C

5,839

4,084°C

h1259,553

372,250

5

h2 404,021P frigorifique

6

4

3

2

1

15

P calorifiqueP compression

384,56






Hypothèse dimensionnement - Calcul

Qv échangeur évaporateur - eau 7°CEau 7°C þ:999,96 kg/m³ , C: 4,198 kJ/kg

P= Qm.C.ΔtQm= P/ C.Δt Qm= 39 / 4,198 . 5Qm= 6688,89 kg/hQv= Qm/þQv= 6688,89 / 999,96Qv= 6,689,15 m³/hQv= 6689,15 l/h

50kW

10°C 5°C

2°C

7°C 4°C 38°C35°C

30°C

HIVER SF

33°C

=ε 7 -2 7-(-1)=

=62,5% =ε 38 – 33 38 -30=62,5%

=ε 10 – 5 10 - 2 =62,5%

HIVER SC

Qv nappe - eau 10°C Eau 10°C þ:999,77 kg/m³ , C: 4,192 kJ/kg

P= Qm.C.ΔtQm= P/ C.Δt Qm= 39 / 4,192 . 5Qm= 6698,47 kg/hQv= Qm/þQv= 6698,47 / 999,77Qv= 6,70001 m³/hQv= 6,700,01 l/h

-1°C

Qm Condenseur

P= Qm.Δh Qm= P/ΔhQm= 50 kW / 144,468Qm= 1245,9 kg/h

Qm Evaporateur P=Qm. Δh P= 1245,9. 112,697P= 39 kW

Puissance compresseurP=Qm. Δh P= 1245,9. 31,771P= 10,99kW

Qv plancher - eau 35°C Eau 35°C þ:994,08 kg/m³ , C: 4,178 kJ/kg

P= Qm.C.ΔtQm= P/ C.Δt Qm= 50 / 4,198 . 5Qm= 8616,5 kg/hQv= Qm/þQv = 8616,5 / 994,08Qv = 8,667,8 m³/hQv= 8667,8 l/h

26

La puissance pour refroidissement fixé finalement à 60 kW (48,4 kW calculé)

Nappe phréatique car mise en œuvre aisée, stabilité t°, pas recharge thermique

Choix de production et distribution refroidissement



27

Hypothèse dimensionnement FREE COOLING – Calcul



14°C

17°C 22°C

19°C

Qv plancher - Eau 17°C Eau 17°C þ:998,86 kg/m³ , C: 4,184 kJ/kg

P= Qm.C.ΔtQm= P / C . Δt Qm= 60/ 4,184.5 = 10325,04 kg/h Qv= Qm/þ Qv= 10325,04 / 998,86 Qv= 10,33682 m³/hQv = 10336,82 l/h

Qv nappe - eau 14°C Eau 14°C þ:999,33 kg/m³ , C: 4,187 kJ/kg

P= Qm.C.ΔtQm= P / C . Δt Qm= 60/ 4,187.5 = 10317,64 kg/h Qv= Qm/þ Qv= 10317,64 / 999,33 Qv= 10,32456 m³/hQv = 10324,56 l/h

60 kWETE

28

Apport internes 35 W/m²Surface vitrage 620 m²Surface sols 2805 m²Épaisseur d’isolant Eurothane 10 cm λ Eurothane 0,023W/m.K Chassis Alu double vitrage thermobel starlite λ 1,56W/m².K Puissance chauffage 50 kWPuissance refroidissement 60 kWPuissance chauffage calculée 48,4 kWPuissance refroidissement calculée 39 kWPuissance pompe 1 kWDébit volumique – évaporateur 6962 l/hDébit volumique – condenseur 10337 l/hConsommation électrique 10050 kWh/an Be selon la norme 186206 kWh/anBe chauffage avec récupérateur 90% selon norme 23891 kWh/an Be chauffage 11 kWh/m².an Be refroidissement 0,77 kWh/m².an Énergie primaire non renouvelable 25125 kWh/anÉnergie primaire non renouvelable si chaudière gaz HR 33811 kWh/anÉnergie primaire non renouvelable - classique 30 kWh/m².an 93330 kWh/anBe selon simulation dynamique 178086 kWh/anBe chauffage avec récupérateur 90% selon simulation dynamique 21972 kWh/an Puissance surfacique pompe 50 kW & surface 2800m² 18 W/m²Puissance frigorifique plancher max pour 60 kW (60k/2805) 21,4 W/m² Temps occupation du bâtiment * 620 h η électrique 0,9η isentropique 0,7Sous-refroidissement sortie condenseur 0 KPuissance max plancher froid Δt 5°K surface/pièce 35W/m²

* [ (365j – 150j) . 10h ] . 29%

2519



Caractéristiques - récapitulatif

29

Suivi d’un projet et coordination de tous les acteurs

Transposition dans la pratique de points abordés en cours NormesMéthode de Calcul de déperditions

Puissance des systèmes de distribution de chaleur & refroidissement Dimensionnement PACNappe phréatique comme sourceChauffage/refroidissement par le sol Récupérateur de chaleur

Mise en évidence de l’importance des critères Type et épaisseur de l’isolant Prise en compte des surchauffes Orientation du bâtiment OmbrageVitrage

Caractéristiques thermiques de l’enveloppeÉtanchéité à l’air du bâtimentVentilationÉclairage et autres équipements

Mise au point de feuilles de calcul: K, déperditions thermique parois et locaux

2519



Conclusion - Expérience

30

Merci pour votre attention



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