Formation bâtiment durable : Passif et (très) basse ... · Refroidissement Piotr Wierusz-Kowalski...

FORMATION BATIMENT DURABLE :

PASSIF ET (TRES)

BASSE ENERGIE

PRINTEMPS 2015

Journée 3.4

Systèmes - Notions théoriques

Refroidissement

Piotr Wierusz-Kowalski

[email protected] – www.mkengineering.be

FORMATION « bâtiment durable : PASSIF ET (TRES) BASSE ENERGIE » - IBGE - printemps 2015

OBJECTIF(S) DE LA PRESENTATION 2

● 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


TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION

Critères de certification

Des Besoins Nets à l’Energie primaire

Stratégie de conception

Confort estival

Occurrence des besoins

Répartition des Besoins et Energie Primaire

Puissance relative

Répartition des Besoins et Energie Primaire

Dimensionnement

Synthèse

SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT

3


INTRODUCTION – CRITÈRE DE CERTIFICATION 4

● Dans le résidentiel, le refroidissement n’est pas considéré!

● Objectif : se passer de refroidissement actif!

Source : Vademecum PMP


INTRODUCTION – CRITÈRES DE CERTIFICATION 5

● Certification Passive (non-résidentiel – permis déposé après le

06/03/2012)

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

Critères à respecter: Certification - Bâtiment TERTIAIRE - Standard Passif

Besoins net en énergie de chauffage ≤ 15 kWh/m².an (1)

Besoins net en énergie de refroidissement ≤ 15 kWh/m².an (1)

Test d'étanchéité à l'air n50 ≤ 0,6 h-1 selon la méthode A de la NBN EN 13829 (5)

Probabilité du risque de surchauffe 0,05 ou 5% Simulation dynamique requise (3)

Critère en énergie primaire - Ep ≤ 90 - 2,5 x compacité (2) (4)

Source : Vademecum PMP 2012


3. Apports internes par l’éclairage +

6. Déperditions par transmission

7. Déperditions par ventilation

8. Déperditions par in/exfiltration

4. Apports internes par les ventilateurs

5. Apports internes par les appareils

10. Besoins nets en énergie pour le refroidissement

11. Pertes du système de refroidissement

12. Besoins bruts en énergie

2. Apports internes par les personnes

15. Pertes de transformation

16. Consommation d’énergie primaire du bâtiment

-

6 7 8

1

2 3 4 5

10 11

12 13

9

-

+

+

+

+

=

+

= 9. Chaleur à évacuer par le système de refroidissement =

-

1. Apports solaires

14

15

16

13. Pertes à la production

14. Consommation d’énergie pour le refroidissement

+

=

INTRODUCTION – BESOINS NETS À L’ÉNERGIE PRIMAIRE 6

Formation Systèmes :

Refroidissement

Formation Systèmes :

Eclairage


INTRODUCTION – STRATEGIE DE CONCEPTION

● Stratégies passives :

N Limiter les gains internes

N Limiter les gains externes (protections solaires)

N Evacuer la surchauffe par l’air

N Utiliser l’inertie pour absorber la chaleur pendant la journée et

l’évacuer la nuit.

● 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%

7

Source : MK Engineering


INTRODUCTION – 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

8

Source : Energie +


INTRODUCTION – OCCURRENCE DES BESOINS

● Exemple de besoins de chaud et de froid pour un bâtiment tertiaire

N Occurrence des besoins de froid réduits

N Besoins de chaud et de froid peuvent être simultanés

9

[kWh]

[mois]

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Besoin de chauffage

Besoin de refroidissement

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

[kWh]


INTRODUCTION – 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

N Maison de repos et de soins

• Puissance frigorifique nécessaire de 25 W/m²

pour des besoins frigorifiques de 4,7 kWh/m².an

10


Source : 3E


INTRODUCTION – REPARTITION DES BESOINS ET ENERGIES

● Projets Non-Résidentiels

11

PEB TBE PASSIF

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

kWh

/m².

an

Besoins énergétiques nets

Electricité auxilaires

Eclairage

Refroidissement

Chauffage

PEB TBE PASSIF

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

kWh

p/m

².an

Energie primaire

Electricité auxilaires

Eclairage

Refroidissement

Chauffage


INTRODUCTION – 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

12


INTRODUCTION – SYNTHESE 13

● 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


TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION


14



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

ENERGIE PRIMAIRE

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

16



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

ENERGIE PRIMAIRE

17


● Le but est de transférer l’énergie d’un milieu froid vers un milieu chaud.

Peut être réversible PAC

SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe 18

Compresseur = consommation de

force motrice

Vanne de détente

Condenseur

= rejet de la

chaleur

Evaporateur

= Absorption

de la chaleur



SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe

● Les machines frigorifiques fonctionnent par transfert d’énergie, et non par

combustion.

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)

19

Source : Eurovent


SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION – Rendement

● Rendements

N EER : rendement de l’appareil à pleine charge :

N ESEER : rendement saisonnier

N Certification Eurovent = garantie

20

Source : Energie +

Source : Eurovent

NBN EN 14511


SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION – Rendement 21

Source : DAIKIN

Source : UNICO

● Ordre de grandeur (condenseur à air)

N Machine traditionnelle

N Machine optimisée



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

ENERGIE PRIMAIRE

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

N Consommation électrique des auxiliaires dimensionnement

des réseaux et sélection des auxiliaires

N Zonage : voir remarque chauffage et chapitre régulation

23


Source : Grundfoss


SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Détente directe

● Pas de fluide intermédiaire, la machine travaille en direct avec

évaporateur dans la zone à traiter

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,…)

24

Source : Energie + Source : Aermec


SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Eau glacée

● L’énergie frigorifique est distribuée par de l’eau glacée

N Avantages :

• 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

25

Source : Energie +


SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Par l’air

● L’énergie frigorifique est distribuée par l’air

N Avantages :

• 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

26

Source : Energie +



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

ENERGIE PRIMAIRE

27


SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – EMISSION

● Batterie froide (ou réversible)

N Avec effet de déshumidification

● Ventilo-convecteur

N 2 ou 4 tubes

28

Source : Daikin


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

29

Sources : Energie +



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

ENERGIE PRIMAIRE

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

31


● Points d’attention :

N Plage neutre

• 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 des commandes, écolage, manuel

d’explication, …

SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – REGULATION 32

0%

20%

40%

60%

80%

100%

-10 0 10 20 30 T° ext (°C)

Puissances chaud/froid

T° chaud T° froid

Plage neutre

Source : MK ENgineering



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

Condenseur

Evaporateur

Exercice pratique

Free chilling

Récupération de chaleur

Refroidissement alternatif

ENERGIE PRIMAIRE

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

34

Source : Energie +


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

35


SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Exercice pratique 36

● Présélection d’un appareil de production de froid sur base d’une fiche

technique de fabricant.

Sélection d’une machine à analyser suivant :

N Valeurs nominales


SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Exercice pratique 37

● 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 extérieures T°ext ou choix du condenseur

N Analyse de l’impact sur le rendement (EER)


SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Free chilling

● Free-chilling

N Quand T° « source » basses, arrêt du compresseur et

refroidissement gratuit par échange avec air extérieur

38

Source : Energie +


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

39

Source : Energie +


SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Récupération de chaleur

● Récupération de chaleur sur condenseur

N Pour préchauffage d’ECS

N Pour circuit chauffage

40

Source : Energie +


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

41


SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Machine ad/ab -sorption

● Machines à ad/bsorption

N Le compresseur est remplacé par un procédé thermochimique

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

42

Sources : Energie +



TERMINOLOGIE

PRODUCTION

DISTRIBUTION

EMISSION

REGULATION

OPTIMISATION

ENERGIE PRIMAIRE

43


Refroidissement avec PAC électrique Valeur en énergie primaireFacteur d'émission CO2

(équivalent CO2)

kWh/kWh g/kWh

Taux de couverture du besoin de refroidissement (Projet) 100% 2.5 680

Source de chaleur Electricité

Coefficient de performance (COP) de refroidissement annuel 3.3

Besoin en énergie de refroidissement 3.0 7.6 2.1

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

N BNEF / ESEER Energie Finale (besoins …)

N EF * Coef. EP Consommation en énergie primaire

44

Paramètre principal : ESEER

Attention! Energie finale


SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – ENERGIE PRIMAIRE 45

● Tableau de conversion en énergie

primaire :

● 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

Vecteur énergétique Fp

Electricité 2,50

Besoins

nets

[kWh]

Besoins bruts

[kWh]

ESSER Energie finale

[kWh]

Coût

[€/m²]

Energie primaire

[kWhp]

15 15+ pertes = 16,0 3 16 / 3 = 5,33 5,33 x 0,17 = 0,91 5,33 x 2,5 = 13,3

15 15+ pertes = 16,0 5 16/ 5 = 3,20 3,20 x 017 = 0,54 3,20 x 2,5 = 8,0

5 5+ pertes = 6,0 3 6 / 3 = 2,00 2,00 x 0,17 = 0,34 2,00 x 2,5 = 5,0

5 5+ pertes = 6,0 5 6 / 5 = 1,20 1,20 x 0,17 = 0,20 1,20 x 2,5 = 3,0


SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – SYNTHESE 46

● 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


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

47


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 : ?

48

http://www.energieplus-lesite.be/









http://app.bruxellesenvironnement.be/guide_batiment_durable









CONTACT

Piotr Wierusz-Kowalski

Ingénieur Gestionnaire de Projets

Coordonnées :

: 02/340.65.00

: [email protected]

49


SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – QUESTIONS / RÉPONSES 50

?


51

MERCI POUR VOTRE ATTENTION

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