1 Systèmes de chauffage et de refroidissement 1.1 Systèmes ...1.1.2 L'efficacité énergétique...

TAREB Intégration des équipements

1 Systèmes de chauffage et de refroidissement

1.1 Systèmes conventionnels de conditionnement d'air

1.1.1 Introduction

Quand des systèmes auxilliaires de chauffage et de refroidissement sont nécessaires, après que toutes les mesures passives possibles aient été envisagées comme nous l'avons décrit précédemment, il demeure trois questions princip ales:

• Quel est le meilleur système pour le bâtiment en question?• Quelle est la puissance idéale à installer? • Quelle source d'énergie et quelles mesures d'économie sont possibles

pour réduire les coûts globaux et les besoins en énergie primaire?

La réponse à la première question n'est ni simple ni unique. Il existe en général plus d'une solution acceptable pour chaque situation. Les critères principaux à prendre en compte sont, parmi d'autres, les suivants:

• Niveau de contrôle nécessaire (nombre de pièces);• Besoins de chauffage, refroidissement, chauffage et refroidissement,

contrôle de l'humidité, filtration, etc.;• Type d'occupation (densité, planning, importance des gains internes,

etc.);• Type d'occupation (continue ou intermittente) et niveau d'inertie du bâti

ment, c'est à dire le type de réponse attendue de la part du système; • Réseau de distribution par eau ou par air; • Système radiatif ou convectif, pour des raisons énergétiques ou d'es

thétique (hauteur sous plafond par exemple);• Espace nécessaire (interaction avec l'architecture);• Coût.

Les critères techniques peuvent réduire la liste des choix possibles. Après cela, l' expérience joue un rôle important pour trouver la meilleure solution, ou, plus précisément, une solution acceptable parmi les diverses alternatives possibles. Une fois prise cette décision, il est néanmoins nécessaire de poser les deux autres questions énoncées précédemment: dimensionner le système et étudier des solutions énergétiquement satisfaisantes. Nous discutons ces deux questions dans les pages suivantes quelque soit le système choisi par le concepteur pour une application donnée.

Bien qu'il y existe des solutions satisfaisantes et largement utilisées pour concevoir des systèmes de chauffage efficaces, par exemple les chaudières à condensation, la récupération de chaleur, etc, la conception des systèmes de cli

Chapitre 1 Architecture Basse Energie

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matisation est plus critique, c'est pourquoi nous nous concentrerons sur ce dernier problème. Cependant, beaucoup des principes discutés (COP des équipements, utilisation de sources ou de puits naturels de chaleur,etc) peuvent aussi s'appliquer complètement aux systèmes de chauffage.

1.1.2 L'efficacité énergétique dans la conception des systèmes de conditionnement d'air

1.1.2.1 Réduire les charges de conditionnement

La dimension des systèmes de chauffage et de conditionnement doit être réduite au maximum pour limiter les coûts et les besoins en énergie. Cette réduction doit s'effectuer à la fois sur les pics de demande (puissance installée) et sur la demande intégrée sur la saison (la consommation). Les méthodes pour réduire les échanges à travers l'enveloppe ont déjà été discutées précédemment.

Le plus critique de tous les éléments qui contribuent à la charge de condition nement est sans aucun doute constitué par les apports solaires. S'ils sont trop importants, ils peuvent devenir le seul poste majeur à combattre. Souvent, les bâtiments non protégés ou mal protégés du soleil peuvent avoir des charges de conditionnement telles que les systèmes conventionnels ne peuvent les traiter correctement, surtout pour des petits locaux.

En hiver, cependant, les gains solaires peuvent contribuer efficacement à la réduction des charges de chauffage. C'est pour cette raison que dans les pays plus froids de l'hémisphère nord, il est typique d'adopter des façades sud largement vitrées. Pendant les jours chauds et ensoleillés, les gains solaires peuvent devenir un problème, plus spécialement dans les bâtiments non résidentiels avec des gains internes déjà importants. Ainsi, même dans les climats froids, la protection solaire doit- elle être traitée avec une attention particulière sous peine d'accroître les charges de climatisation. Dans les climats plus chauds, cet enjeu demeure important, même si dans ces régions, les bâtiments ont tendance à être mieux protégés des gains solaires de part la pratique architecturale traditionnelle. La puissance installée peut par la suite être réduite en adoptant des constructions lourdes. La masse introduit un important déphasage dans la conduction de la chaleur à travers l'enveloppe et permet aussi d'amortir et de décaler la restitution des apports solaires à l'air intérieur ce qui conduit à transférer une partie des charges dues aux apports solaires vers des heures où la charge totale est moins importante, lissant ainsi le diagramme de charges comme le montre la figure 1.


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Fig. 1 - Températutre intérieure moyenne en fonction de l'inertie. Les gains internes peuvent aussi jouer un rôle décisif dans le dimensionnement des systèmes de climatisation. On doit faire attention à limiter leur impact. L'utilisation de systèmes économes en énergie et d'autre équipements faisant l'objet d'une certification volontaire, comme le système des étoiles énergétiques, peut participer de façon importante à la réduction des gains internes et donc à celle des charges de climatisation. Un système d'éclairage efficace est également de première importance du fait que la chaleur produite par les lampes doit être évacuée par la climatisation. L'utilisation de l'éclairage naturel doit être une priorité surtout pour les bâtiments non résidentiels où les charges de climatisation sont les plus importantes. Ces trois principes (protection contre les apports solaires, forte inertie et limit ation des apports internes dus à l'éclairage et aux équipements) ne peuvent pas être retenus uniquement au moment de dimensionner les systèmes, ils doivent être partie intégrante de la conception du bâtiment pour n'importe quel architecte ou ingénieur. En plus d'une réduction de la taille du système de cli matisation, quand ils sont petits ils fonctionnent en général au voisinage de leur puissance maximale, on assurera aussi une meilleure efficacité. Ces deux effets peuvent contribuer à des économies significatives tout au long de la durée de vie du système.

1.1.2.2 Dimensionnement des systèmes et des composants

Une fois que toutes les stratégies passives, décrites précédemment, pour réduire la taille ou carrément éliminer le système de conditionnement, ont été prises, c'est le travail du concepteur du système d'obtenir une solution économe en énergie et en coût pour le bâtiment concerné. Les chapitres suivants traiteront de bon nombre de ces problèmes, mais le premier à traiter qui concerne le dimensionnement du système est justement le surdimension nement. Les concepteurs ont l'habitude, pour tenir compte des incertitudes et


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d'une expansion limitée du système, de surdimensionner les installations pour être toralement certains qu'il puisse toujours combattre les charges. Ce comportement systématique conduit à une réduction du rendement énergétique moyen du système sur la saison de climatisation du fait que l'équipement travaille en charge partielle de façon systématique. La figure 2 montre une distri bution typique de charge horaire de climatisation dans un bâtiment. On voit clairement que le système fonctionne uniquement quelques heures chaque année au voisinage des conditions de dimensionnement, et que plus de 50% du temps il ne fonctionne qu'à 25% de sa puissance nominale. Si la puissance installée est bien supérieure à la charge maximum, l'équipement fonctionnera systématiquement à un niveau de charge très partiel, et son rendement s'en ressentira gravement.

Cette tendance à surdimensionner les équipements doit être combattue au travers par exemple de la normalisation du calcul des charges qui va limiter les possibilités et la responsabilité des concepteurs, et de l'établissement de règles normatives qui vont mettre des limites légales au surdimensionnement. Sinon, les réductions soigneusement opérées par une bonne conception architecturale peuvent être partiellement ou totalement effacées par un mauvais dimension nement des systèmes.

Chaque bâtiment est un système thermique complexe. Aucun outil de simulation en régime permanent ne peut décrire correctement son comportement. Dimensionner un système de climatisation qui soit capable de vaincre toutes les charges et ne gaspille pas les ressources demande une connaissance détaillée du comportement du bâtiment de ses interactions avec le système. Dans les bâtiments complexes, la prédiction des températures intérieures, des charges


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Fig. 2 - Distribution typique des charges horaires de climatisation dans un bâtiment

25% 25% loadload


de chauffage ou de climatisation, des besoins énergétiques, et des niveaux de qualité de l'air intérieur devrait toujours faire l'objet d'une simulation thermique dynamique du bâtiment. De nombreux outils existent pour répondre à ce besoin dont les plus connus sont: ESP-r, DOE, ENERGY+, HVASCSIM, TRNSYS, IDA, etc.. Les méthodes traditionnelles manuelles basées sur des conditions quasi stationnaires ou des règles de l'art, souvent utilisées par les concepteurs dans leur travail journalier, conduisent inévitablement à un surdimen sionnement significatif.

1.1.2.3 Rendement des équipements

Les différents composants d'un système doivent être aussi performants que possible pour un coût raisonnable. Toute perte de rendement conduit inévitablement à des besoins énergétiques accrus pour produire l'effet désiré.

Les pompes et les ventilateurs représentent un pourcentage significatif de l'énergie totale consommée par un système de conditionnement. Les concepteurs font en général peu attention aux rendements de ces composants en ne défin issant pas assez clairement leurs spécifications. En conséquence, le prix intial devient souvent le critère principal de sélection plutôt qu'un coût global tout au long de leur durée de vie.

Des quantités identiques de froid peuvent être produites avec des quantités d'énergie primaire très différentes. Le COP (coefficient de performance) des machines de production de froid peut varier sur une échelle relativement large en fonction de la qualité de fabrication du matériel et du type de cycle utilisé ( Compression de vapeur simple ou à plusieurs étages ou cycle d'absorption avec différents mélanges). De plus, les cycles d'absorption, même avec un COP plus mauvais, peuvent conduire à une consommation d'énergie primaire moins importante. De manière générale, la compression nécessaire pour les autres types de cycle a un rendement faible.

Le COP nominal est basé sur un fonctionnement en régime établi et à pleine puissance. Pendant les phases de démarrage et de fonctionnement à charge partielle, quand l'équipement s'arrête et redémarre fréquemment, le COP réel peut devenir bien plus faible. Il est donc impératif d'optimiser le COP sur le fonstionnement saisonnier de l'installation en limitant les charges partielles et les arrêts et redémarrages. Pour atteindre ces objectifs, il existe deux mesures relativement simples et économiquement avantageuses qui peuvent être adoptées en phase de dimensionnement.

Le stockage de glace ou d'eau froide permet de réduire la puissance nominale du système de production de froid en permettant au stockage de fournir aux demandes de pointe du froid produit et stocké pendant les périodes où la demande est moins importante. L'inconvénient de cette solution est la dimension importante et le coût des dispositifs de stockage. On peut cependant trouver un compromis en installant un réservoir de dimension réduite qui travaille


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comme un tampon, fournissant la demande en froid du bâtiment et rechargé par le système par l'équipement de production de froid qui travaille ainsi avec un bien meilleur COP. En ce cas, la puissance installée demeure la même que sans stockage.

• La puissance de réfrigération peut être divisée en divers étages de façon à ne mettre en route à chaque instant que la puissance nécessaire. Encore une fois on améliore ainsi le COP opérationnel de l'installation.

L'avantage économique de ces procédés augmente avec la taille (puissance installée) ce qui limite de fait leur intérêt quand on a optimisé la conception architecturale comme cela devrait toujours être le cas. Comme la puissance installée nécessaire diminue, on fait moins d'économies pour financer l'investissement et le temps de retour de l'installation augmente. Ainsi, une autre conséquence importante de la conception architecturale soignée sur le plan énergétique est la simplification de l'installation la plus appropriée pour un bâti ment donné.

1.1.2.4 Efficacité de ventilation dans les locaux conditionnés

Le débit d'air neuf nécessaire pour assurer une bonne qualité de l'air intérieur est pris en compte dans le dimensionnement du système de conditionnement. On a l'habitude de dimensionner des systèmes sur un taux d'occupation maximum des locaux. Cependant, des systèmes plus évolués peuvent prendre en compte le nombre réel de personnes à l'intérieur d'un local et donc la dynamique de la pollution intérieure (par contrôle du taux de gaz carbonique, par exemple). Néanmoins, ceci peut ne pas fonctionner correctement si la distribu tion de l'air à l'intérieur du bâtiment n'est pas bien faite (Si l'air neuf n'est pas apporté où on en a besoin). Ce problème concerne donc à la fois la distribution de l'air neuf entre les différents locaux, mais aussi à l'intérieur même de chaque local particulier.

Si la distribution entre les différents locaux n'est pas proportionnelle aux différents besoins, (si le débit de ventilation est proportionnel aux charges à débit constant et aux charges réelles à débit variable) la qualité de l'air sera affectée là où les débits d'air seront insuffisants. Pour corriger cela, les occupants ou le gestionnaire de l'installation augmentent souvent les débits d'air neuf pour l'ensemble du bâtiment ce qui conduit à une augmentation des consommations d'énergie.

Dans chaque local, les grilles de soufflage et de reprise doivent être sélection nées avec attention pour s'assurer que l'air neuf traverse bien le volume d'occupation (la partie du local où se trouvent les occupants) située dans la partie inférieure à environ 2m de hauteur par rapport au plancher. Ceci est mieux caractérisé par le concept d'efficacité de ventilation. Une fois encore, une mauvaise efficacité de ventilation conduira à une forme de court circuit d'une part importante du débit directement vers les bouches d'extraction. En ce cas, pour assurer le confort et la qualité de l'air en été, ou bien le thermostat est


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mis à une consigne plus basse, ou le débit de ventilation est augmenté, ou les deux.

La ventilation par déplacement est une option intéressante qui est particulièrement bien adaptée au conditionnement d'air. Elle consiste à apporter l'air froid à faible vitesse au niveau du plancher, c'est à dire 100% dans la zone d'occupation. L'air se réchauffe et s'élève autour des occupants et des équipements présents dans le local puis l'air vicié est extrait au niveau du plafond. Ce système a l'efficacité de ventilation la plus haute mais il demande un certain nombre de spécifications particulières au niveau du local si celui- ci a aussi besoin de chauffage en hiver.

1.1.2.5 Stratégies de contrôle (Gestion Technique Centralisée)

D'une part, une mauvaise statégie de contrôle peut complètement détruire toutes les économies d'énergie réalisées à travers d'autres mesures, d'autre part, les techniques modernes basées sur l'utilisation de microprocesseurs permettent d'optimiser le fonctionnement des systèmes et d'améliorer de manière significative leur efficacité globale. Des enjeux tels que le contrôle optimisé de la ventilation, proportionnelle à l'occupation réelle, les cycles optimisés d'économie pour utiliser au mieux le “free- cooling” dés lors que de l'air plus frais est disponible à l'extérieur, l'utilisation optimisée de l'inertie thermique permettant de mettre en route ou d'arrêter le système avant l' occupation du local et dès qu'elle s'arrête pour réduire les pics de démarrage et profiter de la chaleur stockée en fin de journée, le chargement du stockage thermique en fonction des besoins prévus pour le chauffage ou la climatisation en fonction des prévisions météorologiques, la gestion optimisée de l'éclairage artificiel profitant au mieux de l'éclairage naturel, la gestion des charges, ect. peuvent être intégrés dans des ensembles qui peuvent réellement être économiquement très avantageux en particulier pour les bâtiments importants. Bien qu'ils puissent être décrits par la dénomination générale de technologie du bâtiment intelligent, on ne doit pas nécessairement les mener à leur limite d'utilisation, et des contrôles très élémentaires peuvent être mis en oeuvre pour des applications simples ou toutes ces fonctions ne sont ni utiles ni nécessaires.

1.1.2.6 Stratégies pour une ventilation efficace

Les coûts de fonctionnement des systèmes de conditionnement d'air peuvent être réduits si l'air neuf circule à travers d'un récupérateur de chaleur. Ces systèmes sont économiquement intéressants en hiver, mais ne sont pas habituellement utiles en été parce que les écarts de température d'air entre l'intérieur et l'extérieur sont trop faibles.


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Le “free- cooling” c'est à dire l'utilisation de l'air frais extérieur, quand il est disponible, pour évacuer les charges de climatisation à l'intérieur des locaux est une des alternatives les plus intéressantes. La figure 3 montre la stratégie correcte pour sélectionner les débits d'air extérieur.

Ce procédé peut aussi être utilisé assez efficacement durant la nuit si le bâti ment a une capacité thermique suffisante. En ce cas, l'air extérieur plus froid la nuit, circulant à travers le bâtiment par voie naturelle ou à l'aide d'un système mécanique peut faire baisser la température des masses internes, permettant ainsi aux apports thermiques d'être utilisés pour réchauffer cette masse sans contribuer directement, dans un premier temps, à l'élévation de température de l'air intérieur, au moins pendant les premières heures de la journée.

1.1.3 Spécifications pour les procédures d'entretien et de commissioning

Dans les spécifications pour l'entrepreneur, générallement faites pour la commande des matériels, il devrait exister une description complète de tous les tests qui doivent être faits pour vérifier les performances de chaque composant et du système complet. Toutes ces spécifications doivent être vérifiées sur site avant réception de l'installation. Souvent, malheureusement cette phase n'existe pas pour diverses raisons: le coût, le temps nécessaire pour effectuer les tests, le besoin de mettre en fonctionnement l'installation de façon précipitée, etc…. Néanmoins, cela signifie que n'importe quel problème peut avoir lieu par la suite quand il est trop tard ou trop coûteux pour le corriger. La qualité du système final doit être assurée à n'importe quel prix.

Le “commissioning” est encore une science en évolution, et il y a encore place pour le progrès.

La responsabilité du concepteur ne finit pas une fois que le système est construit et quand on en a délégué sa gestion. Le système doit être capable de


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Fig. 3 - Stratégies de gestion du free cooling

Température de l’air extérieur

Pourcentage d’air neuf (%)

B C D

Consigne intérieure

100%

Débit minimum

d’air extérieur

flow

A


fonctionner efficacement et de satisfaire aux critères de dimensionnement pendant des années. Aussi, les dispositions d'entretien sont des exigences aussi importantes qu'un bon dimensionnement ou une bonne sélection des composants.

Les plans de maintenance habituels pour les gros équipements ne peuvent être élaborés qu'après les sélections des machines spécifiques et des composants utilisés dans le système. Cela signifie que c'est une tâche à la charge de l'entrepeneur de définir ces procédures dans une seconde phase du projet, mais les éléments essentiels d'entretien doivent être prévus durant la conception.

Finalement, il est nécessaire que le propriétaire du bâtiment mette en place un plan d'entretien régulier comme prévu dans le projet. Quelquefois, ceci est contourné pour des raisons budgétaires avec des conséquences sérieuses sur les performances du système et les économies d'énergie à long terme. L'entretien devrait être pris plus au sérieux par les propriétaires de bâtiments et les autorités. Il doit être considéré comme un investissement, comme un moyen de réduire les coûts; à la fois les coûts de fonctionnement (pour une meilleure efficacité) et les coûts de matériel: un défaut de maintenance correcte conduit invariablement à des besoins supplémentaires de remplacement et à une durée de vie plus courte du système.

1.2 Systèmes alternatifs de climatisation

Les technologies de climatisation à faibles besoins énergétiques peuvent être regroupées en deux catégories :

• celles concernant la source principale de production de froid• et celles qui sont centrées sur le moyen de restitution du froid dans

l'espace à traiter.

La première catégorie est habituellement désignée comme systèmes passifs ou hybrides. Ils reposent sur l'utilisation de ressources naturelles pour la production de froid, telles que l'air ambiant, le sol ou une réserve d'eau (rivière, lac, nappe phréatique, etc.). De plus, quelques technologies utilisent les transferts de chaleur liés à l'évaporation ou à la condensation de l'eau comme source de refroidissement sensible ou latent (ex. :rafraîchissement évaporatif et par dessication). Des pompes et ventilateurs sont nécessaires au fonctionnement de tels systèmes excepté pour le rafraîchissement nocturne par ventilation naturelle. Enfin, ces technologies diffèrent des systèmes traditionnels de production de froid car étant basés sur le cycle thermodynamique à compression ils produisent généralement des pics de consommation d'électricité durant les jours d'été les plus chauds, lorsque la demande est la plus forte.

La deuxième catégorie concerne la restitution efficace du froid dans le local à traiter. Planchers et plafonds rafraîchissants à eau associés à une ventilation par déplacement peuvent êtres utilisés pour rendre un système conventionnel


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de climatisation plus efficace. Il est également possible de combiner un tel système avec des solutions passives. Ces technologies sont mieux adaptées aux sources de chaleur à faible gradient, dans la mesure pour elles traitent séparément les charges de climatisation et de ventilation.

La plupart des technologies passives peuvent être combinées ensemble ou avec des solutions traditionnelles de climatisation pour former des systèmes hybrides. De plus, beaucoup de ces technologies reposent sur une intégration à la structure du bâtiment. Certaines utilisent l'inertie thermique des parois, d'autres sont (ou devraient être) incorporées dans les murs, dalles ou fondations.

Même si toutes ces technologies sont disponibles et ont déjà été utilisées dans des bâtiments réels, il est important de réaliser qu'elles sont au tout début de leur développement comparé aux moyens conventionnels de production de froid. Aussi, si certaines technologies sont largement adoptées dans certains secteurs du bâtiment ou dans des climats particuliers, elles demeurent sous-utilisées par la plupart des bureaux d'études et architectes. Enfin, les coûts de ces technologies diminuent à mesure qu'elles sont plus largement développées et utilisées.

Les parties suivantes décrivent les solutions alternatives de production de froid les plus importantes.

1.2.1 L'air, le sol et l'eau comme source naturelle

La ventilation nocturne, ou le rafraîchissement de nuit, est utilisé pour réduire la température dans le bâtiment lorsque la température extérieure est plus faible que la température intérieure, ce qui se vérifie typiquement la nuit. Ceci améliore directement le confort durant la nuit, mais refroidit également la structure du bâtiment, ce qui aura pour effet de limiter le pic de température intérieure le jour suivant. L'efficacité du système dépend du débit d'air, de la différence de température entre l'air intérieur et extérieur et de l'inertie effective de l'intérieur du bâtiment. Le succès de cette technique repose sur une approche de conception intégrée.

Il est possible d'utiliser un système de ventilation aussi bien mécanique que naturelle (ou une combinaison des deux) pour réaliser le rafraîchissement nocturne. Avec la ventilation naturelle, le débit de ventilation n'est pas directement contrôlé. Dans le cas de la ventilation mécanique, un système classique peut être adapté (lois de contrôle et ventilateur) ou un système supplémentaire doit être installé. Mais dans tous les cas, il faut s'assurer qu'à un débit supérieur au débit de ventilation le système ne devient pas trop bruyant ou qu'il n'occasionne pas de gêne des occupants. Dans un nombre d'applications dans des bâtiments à usage commercial, le débit d'air nocturne est plus faible qu'en période d'utilisation de manière à limiter les apports de chaleur par les ventilateurs ainsi que leur consommation énergétique.


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L'inertie thermique de la structure joue un rôle majeur dans l'efficacité du système de rafraîchissement par ventilation nocturne en réduisant les variations de température. L'inertie thermique peut réduire les variations de température entre la nuit et le jour, ou réduire la température intérieure moyenne durant les jours plus chauds du fait du refroidissement de la structure durant les jours précédents plus froids. Dans la plupart des cas, les séquences de journées chaudes ne dépassent pas cinq jours. Dans ce cas, il est important de faire la distinction entre l'inertie diurne (cycle de 24h) et l'inertie séquentielle (cycle de deux semaines). Pour être efficace, l'inertie thermique doit être directement liée à la température extérieure. Enfin, les résistances thermiques additionnelles, telles que moquettes, isolation, revêtements, réduisent l'efficacité de l'inertie thermique de la structure.

Les systèmes de climatisation à air utilisant le sol comme source thermique, fonctionnent avec des systèmes classiques de ventilation, mais également avec des systèmes à faible demande (ventilation par déplacement par exemple). L'air extérieur est tout d'abord aspiré au moyen d'un système de canalisations enterrées. Idéalement, celles- ci doivent être située sous les fondations du bâtiment et au dessus du niveau de la nappe phréatique de manière à atteindre la température du sol la plus favorable et limiter le coût de l'installation. L'air extérieur est alors refroidi lors de son passage dans ces canalisations et utilisé ensuite comme air neuf dans le système de ventilation durant les périodes nécessitant un rafraîchissement du bâtiment.

Durant la saison nécessitant un rafraîchissement du bâtiment l'air extérieur peut être refroidi jusqu'à environ 18°C à 22°C. Lorsque la température extérieure est suffisamment basse (c'est- à- dire inférieure à 22°C), l'air extérieur évite le sol pour être injecté directement dans le bâtiment. Ceci arrive généralement la nuit, mais peut également se produire le jour lorsque les températures sont suffisamment basses.

Le même système peut également être utilisé comme moyen de chauffage en hiver. L'air extérieur est préchauffé en passant dans le sol avant d'être expédié vers un système de récupération de chaleur sur l'air extrait. Le sol a donc un usage double de stockage et peut être régénéré d'une saison sur l'autre. De plus, ce type de système évite le givrage de l'échangeur sur l'air repris du système de récupération de chaleur durant la période de chauffe, dans la mesure où l'air extérieur est préchauffé. Dans le mode de production de froid, si l'air est suffisamment chaud (au dessus de 6°C) mais à une température inférieure à la température intérieure, le système de stockage dans le sol peut être évité.

1.2.2 Le rafraîchissement par évaporation


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Dans le rafraîchissement par évaporation, l'évaporation de l'eau est utilisée pour diminuer la température sèche de l'air 1. Des structures mouillées ou des sprays sont utilisés pour produire l'évaporation de l'eau dans la veine d'air.

Les systèmes à évaporation se partagent en deux catégories: les systèmes à évaporation directe et indirecte. Dans les systèmes à évaporation directe (Fig. 7) l'eau est directement évaporée dans la veine d'air à traiter entraînant ainsi une diminution de sa température sèche, mais augmentant en revanche son humidité spécifique.

Fig. 4 - Système de rafraîchissement par évaporation dir ecte

Les systèmes à évaporation indirecte (Fig.5) utilisent deux veines d'air. Une veine d'air secondaire est rafraîchie par évaporation directe. L'air rafraîchi de cette veine secondaire est alors utilisé pour rafraîchir l'air à traiter de manière indirecte au moyen d'un échangeur de chaleur air- air. Lorsque la veine secondaire transporte l'air repris, l'échangeur de chaleur peut également peut également préchauffer l'air neuf en hiver.

1 Les tours de refroidissement ne sont pas traitées dans ce chapitre. Même si elles sont aussi basées sur le principe d'évaporation de l'eau pour produire du froid, elles diffèrent du rafraîchissement évaporatif dans le fait qu'elles sont dédiées au refroidissement d'une boucle d'eau qui elle- même peut éventuellement servir à rafraîchir de l'air.


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Fig. 5 Système de rafraîchissement à éva poration indirecte

Les faibles capacités de refroidissement des systèmes à évaporation indirecte nécessite souvent de les coupler à un système à évaporation directe sur la veine d'air principale. Ce système à deux étapes est appelé système à évaporation directe- indirecte (Fig. 6).

Fig. 6 - Système à évaporation à deux étapes directe- indirecte

Lorsqu'il est conçu comme un système autonome, un système de rafraîchissement par évaporation nécessite deux à trois fois le débit d'air d'un système conventionnel de climatisation. De ce fait, les gaines de ventilation doivent être de plus grandes dimensions, mais ces débits d'air plus importants et l'absence d'air de recirculation peuvent améliorer la qualité de l'air dans certains bâtiments du fait d'une meilleure dilution des polluants intérieurs.


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Dans les pays interdisant l'usage d'air de recirculation dans les centrales de traitement d'air, un système de refroidissement par évaporation directe pourrait être une solution rentable en alternative des techniques conventionnelles de climatisation.

De plus, fonctionnant comme un système autonome, les systèmes de rafraîchissement par évaporation indirecte peuvent être intégrés aux systèmes conventionnels de traitement d'air afin de pré- refroidir l'air avec des débits standards. En fonction du climat, le rafraîchissement par évaporation peut également être utilisé pour augmenter le rafraîchissement nocturne en réduisant un peu plus la température de l'air.

1.2.3 Plancher rafraîchissant

Les dalles de sol en béton lourd ont la capacité de stocker rapidement l'excès de chaleur, et lorsque c'est nécessaire, de fournir du froid (ou de chauffage) au local. Du fait des faibles différences de température, ce processus s'autorégule entièrement. Dès que le local devient trop chaud, la chaleur est rejetée vers la dalle, alors que lorsqu'il fait trop froid, de la chaleur en est retirée.

Les bâtiments comportant ce type de systèmes procurent un grand niveau de confort aux occupants pour de faibles coûts d'exploitations, ils sont faciles à exploités, et ne demandent pas de coûteuses installations ni d'équipements de contrôle.

L'association d'un système de ventilation par déplacement à un plancher rafraîchissant a l'avantage supplémentaire de fournir une excellente qualité de l'air intérieur pour de faibles consommations énergétiques. Dans le système présenté sur la figure 4, l'air est introduit dans la pièce au niveau du sol à une température légèrement inférieure à celle de la pièce. Etant plus frais et donc plus dense que l'air du reste de la pièce, l'air introduit dans le local s'étale le long du sol pour former un matelas d'air frais. Des courants montant de convection se forment autour des sources de chaleur présentes dans le local transportant l'air vers le haut en direction du plafond.


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Fig. 7 - Section schématique du bâtiment

1.2.4 Stockage dans la nappe phréatique

L'énergie thermique est stockée dans une nappe phréatique par infiltration de l'eau à la température voulue. En été, de l'eau chaude peut être stockée pour être utilisée en hiver pour fournir du chauffage. En hiver, le processus est inversé par le stockage d'eau froide qui sera utilisée en été pour faire du rafraîchissement. Ce procédé peut consister à disposer de deux forages sur la même nappe; le premier servant à puiser l'eau, le second à la réinjecter dans la nappe après avoir effectué l'échange de chaleur (voir figure 8).


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Fig. 8 - Diagram me simplifié d'un système de stockage sur nappe phréatique.

L'eau réchauffée s'éloigne lentement du puits chaud, augmentant progressivement la température de la nappe. En cas de besoin de chaleur, l'eau sera extraite à partir du puits chaud. Il n'y a pas d'extraction nette d'eau dans la nappe dans la mesure où tout volume extrait dans un des forages sera réintroduit dans le second. Les nappes ont souvent un volume important, de l'ordre de plusieurs millions de m3, et ont une capacité de stockage extrêmement importante. Et dans la mesure où l'extraction et la réinjection de l'eau est facile, des puissances importantes peuvent être disponibles aussi bien en chaud qu'en froid.

Si la température de l'eau de la nappe vient à changer, il peut en résulter des modifications de l'équilibre chimique de l'eau qui pourra provoquer un encrassement de parties du système, notamment les puits. C'est pourquoi, ce type de système nécessite généralement l'obtention d'un permit d'exploitation


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qui sera délivré sur la base d'études des caractéristiques de la nappe et des performances de stockage souhaitées.

Afin d'éviter un réchauffement ou un refroidissement progressif de la nappe, il est important d'équilibrer l'énergie extraite et l'énergie réintroduite dans la nappe.

1.2.5 Plafond rafraîchissant

Le concept de ce système est basé sur des panneaux de plafond métalliques refroidis par des tubes capillaires dans lesquels circule de l'eau froide. Le même système peut également être utilisé pour chauffer un local, principalement par rayonnement.

Les boucles de distribution sont séparées des réseaux principaux d'eau chaude et froide par des échangeurs de chaleur comme présenté sur la figure 9.

Fig. 9 - Emitting panels seen from above.

Ces systèmes sont intéressants d'un point de vue de l'intégration architecturale. Comme ils sont basés sur le principe de transfert de chaleur par rayonnement, leur capacité est moindre que celle de systèmes conventionnels basés sur des échanges convectifs (ex.: ventilo- convecteurs).

2 Conclusions

Les performances énergétiques des bâtiments peuvent être largement améliorées en adoptant des systèmes passifs de chauffage et de rafraîchissement, mais ceux- ci devraient néanmoins demeurer une priorité secondaire. En effet, leur introduction dans le bâtiment ne doit se faire qu'une fois optimisées les performances énergétiques de l'enveloppe par une


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conception soignée. Enfin, en troisième lieu peuvent être installées des systèmes d'appoints basés sur des technologies conventionnelles mais dont la durée de fonctionnement devra rester marginale.

Parmi les différentes options disponibles concernant les systèmes d'appoints, les systèmes solaires actifs peuvent également être cités. Pour les climats des pays du sud de l'Europe, où la période de chauffe est courte et peu consommatrice, l'expérience montre que dans la plupart des cas, ils ne constituent pas une alternative rentable aux systèmes traditionnels. La même chose se vérifie pour les systèmes solaires actifs de rafraîchissement qui pour le moment nécessitent des coûts d'investissement prohibitifs comparé à l'installation de systèmes conventionnels.

Enfin, l'efficacité énergétique d'un bâtiment devrait être obtenue en priorité au moyen d'une conception simple et intelligente, les systèmes de chauffage et de climatisation plus complexes devant demeurer secondaires et les systèmes d'appoint devant être utilisés en dernier ressort. Pour atteindre cet objectif, il est de la responsabilité de l'architecte et des autres membres de l'équipe de conception de prendre un maximum de précautions dans les toutes premières phases de la conception.

En fonction du climat il est possible d'établir les priorités suivantes :

1. Dans les climats très froids, les apports solaires et internes peuvent s'avérer insuffisant pour atteindre des niveaux de confort acceptables et par conséquent, l'inertie sera moins importante, les besoins en chauffage prévalent et la climatisation n'est pas trop importante – néanmoins si les apports solaires et internes sont suffisamment importants la situation peut s'inverser, comme le démontre l'utilisation de plus en plus fréquente de système de climatisation dans les pays du nord de l'Europe.

2. Dans les climats aux étés chauds, où la température extérieure peut dépasser les niveaux de confort acceptables, des systèmes de rafraîchissement sont à prévoir. Les systèmes de rafraîchissement à faible consommation énergétique devrait être considérés en priorité, sinon, l'utilisation de systèmes conventionnels entraînerait une augmentation des consommations énergétiques.

3 Pour approfondir la lecture

1. European Passive Solar Handbook, preliminary edition. Edited by P Achard and R Gicquel. Commission of the European Communities, 1986.

2. M Santamouris and D. Asimakoloulos. Passive Cooling of Buildings. James and James, London, 1996.

3. F. Allard, editor. Natural ventilation in Buildings. James and James,


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1999.

4. E. Maldonado, editor. Efficient Ventilation Techniques for Buildings. DG TREN, THERMIE report, University of Porto, 2000.

5. Sandberg, M. "What is Ventilation Efficiency?" Building and Environment, vol.16 (1981), pp.123- 135.

6. Review of Low Energy Cooling Technologies”, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme. Natural Resources Canada, December de 1995.

7. Mark Zimmermann e Johnny Andersson. “Case Study Buildings, Low Energy Cooling”, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme. EMPA, Switzerland, 1998.


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