Systèmes thermiques Franck Lucas

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1 Systèmes thermiques Franck Lucas
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2 Objectifs pédagogiques
Niveau d’acquisition des compétences L'étudiant doit être capable de : 1 2 3 DECRIRE : les éléments constitutifs des différents systèmes énergétiques pour la production d’ECS (notamment solaire), la climatisation des bâtiments la production et l’utilisation de la biomasse. x DECRIRE les différents moyens et sources de production d’énergie thermique dans les bâtiments DIMENSIONNER et CONCEVOIR des installations de production d’ECS solaire individuelles et collectives DIMENSIONNER et EVALUER des systèmes de climatisation des bâtiments EVALUER les grandeurs quantitatives et qualitatives liées à l’utilisation de la biomasse.  x

3 Sommaire Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base : Systèmes d’unités pour l’énergétique Thermodynamique Transferts de chaleur Chapitre 2: Production d’ECS dans les bâtiments Généralités sur les systèmes de production individuels / collectifs Systèmes ECS solaires Chapitre 3 : Systèmes de climatisation Généralité sur les systèmes Conception des installations Evaluation des performances Chapitre 4 : Biomasse / combustion Production de la biomasse Utilisation de la biomasse / notions de combustion

4 Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base :
Systèmes d’unités pour l’énergétique Thermodynamique chaleur latente /sensible 1er principe Thermodynamique 2ieme principe Thermodynamique Transferts de chaleur Conduction Rayonnement convection

5 Systèmes d’unités « Système International d’Unités » ( SI)
adoptés en 1960. 7 unités de base et des unités dérivées Grandeur Unités de Base SI Nom : Symbole : Longueur mètre m Masse kilogramme kg Temps seconde s Intensité électrique ampère A Température absolue et différence de température kelvin K Quantité de matière mole mol Intensité lumineuse candela cd

6 Systèmes d’unités 1𝐽=𝑘𝑔.𝑚². 𝑠 −2 1𝑊ℎ=3600𝐽 1𝑘𝑊ℎ=3600𝑘𝐽 Energie :
Symbole en thermique : Q Définitions : Equivalence chaleur/travail = énergie (Démontré par Joule) Énergie/travail= force [N] x distance [m] Force =masse [kg] x accélération [m/s2] Unité SI : Le Joule [J] Autres unités Wh : 1 W délivré pendant 1h kWh : 1 kW délivré pendant 1 h Btu : British Thermal Unit Conversion : 1 Btu = 1055 J 1𝐽=𝑘𝑔.𝑚². 𝑠 −2 1𝑊ℎ=3600𝐽 1𝑘𝑊ℎ=3600𝑘𝐽

7 𝑃= 𝑄 𝑡 Systèmes d’unités 1 𝑊 =1𝐽. 𝑠 −1 Puissance :
Symbole en thermique : P, Expression : Avec : t le temps en secondes [s] Unité SI : Watt [W] Autres Unités : Btu/h Rmq : Attention aux petites puissances sur des durées longues 𝑄 𝑃= 𝑄 𝑡 1 𝑊 =1𝐽. 𝑠 −1 𝟏 𝑾 =𝟑,𝟒𝟏𝟐𝟏 Btu/h

8 Thermodynamique Chaleur sensible :
elle se manifeste par une élévation de température du corps m : masse du corps [kg] c : chaleur massique du corps [J/kg/K] T : Température initiale ou finale du corps [K] ou [°C]  Chaleur latente : elle se manifeste par un changement d’état du corps : L : Chaleur latente de changement d’état [J/kg] Q=𝑚∙𝑐∙( 𝑇 𝑓 − 𝑇 𝑖 ) Q=𝑚∙𝐿

9 Thermodynamique 𝑄 = 𝑚 ∙𝑐∙( 𝑇 𝑓 − 𝑇 𝑖 ) 𝑄 = 𝑚 ∙𝐿 Puissance sensible :
Chaleur sensible rapportée à l’unité de temps: 𝑚 :débit massique [kg/s] Puissance latente : Chaleur latente rapportée à l’unité de temps L : Chaleur latente de changement d’état [J/kg] 𝑄 = 𝑚 ∙𝑐∙( 𝑇 𝑓 − 𝑇 𝑖 ) 𝑄 = 𝑚 ∙𝐿

10 Thermodynamique : 𝑐 𝑒𝑎𝑢,𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 =4,185 𝑘𝐽. 𝑘𝑔 −1 𝐾 −1
Chaleur sensible /latente : exemple de l’eau  : Condensation /Vaporisation Fusion/solidification Evolution à Patm 𝑐 𝑒𝑎𝑢,𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒 =4,185 𝑘𝐽. 𝑘𝑔 −1 𝐾 −1 𝐿 𝑐/𝑣 =2258 𝑘𝐽. 𝑘𝑔 −1 𝐿 𝑓/𝑠 =335 𝑘𝐽. 𝑘𝑔 −1

11 Thermodynamique Les changements d’état :
Point de changement d’état : exemple de l’eau

12 Thermodynamique Point de changement d’état : exemple de l’eau
Diagramme température-pression pour la vapeur saturée

13 Thermodynamique Equilibre thermique de deux corps : Principe zéro de la thermodynamique Principe : lorsque deux corps à des températures différentes sont mis en contacts, ces corps échangent de la chaleur et se mettent en équilibre thermique a une température appelée température d’équilibre définie par…. Autres formes : Deux corps, mis en contact prolongé, se mettent en équilibre thermique. Deux corps en équilibre thermique avec un troisième, se trouvent en équilibre thermique entre eux. La déclinaison L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est un angle qui permet de prendre en compte cette situation pour calculer la trajectoire apparente du soleil dans le ciel. Elle varie entre 23 ° 27 ' au solstice d'été à – 23 ° 27 ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale.

14 Thermodynamique Définition  1: La thermodynamique permet de décrire l’état d’équilibre d’un système. Définition 2 : un système  est généralement un ensemble matériel (donc constitué de molécules) bien défini. La définition d’un système amène à définir une frontière délimitant le système du milieu extérieur Système Frontière Flux entrant Flux sortant La déclinaison L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est un angle qui permet de prendre en compte cette situation pour calculer la trajectoire apparente du soleil dans le ciel. Elle varie entre 23 ° 27 ' au solstice d'été à – 23 ° 27 ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale. Définition 3 : On définira l’état d’un système par les valeurs numériques que prendront certaines grandeurs physiques caractéristiques de ce système (T, P, V, n …) L’état d’un système est susceptible de changer si on modifie une ou plusieurs grandeurs caractéristiques. Cette modification est obtenue par échange avec le milieu extérieur à travers la frontière. Echange de travail (compression, dilatation) noté W. Echange de chaleur (conduction, rayonnement, convection) noté Q. Echange de masse.

15 Thermodynamique Transformation de systèmes et fonctions d’état
La déclinaison L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est un angle qui permet de prendre en compte cette situation pour calculer la trajectoire apparente du soleil dans le ciel. Elle varie entre 23 ° 27 ' au solstice d'été à – 23 ° 27 ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale. La variation DX d'une grandeur X dépend généralement du chemin suivi pour aller de l'état 1 à l'état 2. Mais, pour certaines fonctions F, les variations DF lors d'une transformation sont indépendantes du chemin suivi. Elles sont dites fonctions d'état. Conséquence : la différentielle dF est une différentielle exacte.

16 Définition et comportement des gaz parfaits (GP).
Thermodynamique Définition et comportement des gaz parfaits (GP). Définition : Les chocs entre les particules sont dits élastiques. L’énergie des particules est purement cinétique : pas de force d’interaction (attraction / répulsion). Le gaz est un gaz parfait Exemples : gaz monoatomiques, gaz diatomiques. Equation d’état des gaz parfaits Forme générale différentielle : Forme courante: P : pression en Pa V : volume en m3 T : température en K n : nombre de moles en mol R : constante des gaz parfaits : R = 8,314 J.K-1 .mol-1

17 Energie Interne d’un système
Thermodynamique Energie Interne d’un système Conservation de l’énergie du système : Prise en compte des frottements : le palet fini par s’immobiliser sur la rampe horizontale U : Énergie interne du système (J) 𝐸 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 + 𝐸 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒𝑙𝑙𝑒 ≠𝑐𝑡𝑒 𝐸 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 + 𝐸 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒𝑙𝑙𝑒 +𝑈+𝑐𝑡𝑒

18 Energie Interne d’un système
Thermodynamique Energie Interne d’un système Modélisation de l’énergie interne Définition : L’énergie interne notée U d’un système représente à l’échelle macroscopique l’énergie cinétique et potentielle des particules. L’énergie interne est une fonction d’état: ∆𝑈= 𝑈 2 − 𝑈 1 Application au GP Pour un gaz parfait on montre que l’énergie interne est directement liée à la température absolue et on calcule la variation d’énergie interne dU de la manière suivante: Avec : m : Masse de gaz (kg): cv : Chaleur massique à volume constant (J.kg-1.K-1) T : Température absolue du système.

19 Premier principe de la thermodynamique:
Mise en évidence Enoncé : La variation d’énergie interne du système entre deux états d’équilibre est égale à la somme algébrique des quantités d’énergie mécanique W (travaux des forces extérieures) et calorifiques Q échangées avec le milieu extérieur. Mise en équation : Pour une transformation fini Pour une transformation infinitésimale Pour un cycle

20 Premier principe de la thermodynamique:
dS Premier principe de la thermodynamique: S Travail des forces de pression : avec Soit : Pour une transformation finie isobare de l’état i à l’état f : M M’

21 Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique:
Enthalpie : Evolution à pression constante Pour une transformation à P=cte le 1er principe s’écrit : Comme : alors : Soit : et finalement 𝑸= 𝑯 𝒇 − 𝑯 𝒊 Définition : l’enthalpie est la quantité de chaleur (sensible ou latente) échangée par un système évoluant à pression constante Symbole et unité :H en J, ou h en J/kg

22 Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique:
Application à la transformation de GP : Q et W échangés Evolution à P=cte : Variation d’enthalpie pour un GP : avec : cp chaleur massique à pression constante (J.kg-1.K-1) Evolution a V=cte : Evolution à T=cte

23 Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique:
Application à la transformation de GP : Evolution adiabatique (Q=0) : Relation caractéristique des transformations adiabatiques

24 Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique: Synthèse
Pour les transformations adiabatiques De plus on admettra :

25 Thermodynamique Deuxième principe de la thermodynamique
Objectif : prévoir le sens d’évolution des systèmes et étude des cycles Exemple 1 : détente d’un gaz Exemple 2 :

26 Thermodynamique Deuxième principe de la thermodynamique
Enoncé de Carnot (moteur) Si une machine fournit du travail au cours d’un cycle, elle échange nécessairement de la chaleur avec 2 sources de températures différentes. Enoncé de Clausius (machine thermique) On ne peut construire de machine qui, au bout d’un cycle, ne ferait que transférer une quantité de chaleur d’une source froide à une source chaude. Conclusion « simpliste » : Pour produire du travail il faut une source chaude et une source froide Pour produire du froid il faut du travail

27 Thermodynamique Premier principe : ΔU=W+Q2+Q1=0
Deuxième principe de la thermodynamique Cycles moteur dithermes Source, T2 Système Q2 W Source, T1 Q1 Premier principe : ΔU=W+Q2+Q1=0 W< 0, Q2 >0, Q1<0 Rendement du cycle :

28 Thermodynamique Cycles dithermes de machine thermique
Source, T2 Source, T1 Premier principe ΔU=W+Q2+Q1=0 W > 0, Q2 <0, Q1>0 Performance du cycle : Q2 Q1 Système Machine frigorifique Pompe à chaleur (PAC) W

29 Transferts de chaleur Principe zéro de la Thermo
Lorsque deux corps à des températures différentes sont mis « en contacts », ces corps échangent de la chaleur et se mettent en équilibre thermique a une température appelée température d’équilibre…. Définition des moyens d’échange Conduction : avec support matériel, sans transfert de masse Convection : avec support matériel, avec transfert de masse Rayonnement: sans support matériel.

30 Transferts de chaleur Conduction
Transfert par excitation de proche en proche des molécules. Paroi monocouche homogène Densité de flux traversant la paroi Flux total traversant la paroi e

31 Transferts de chaleur Conduction
Transfert par excitation de proche en proche des molécules. Paroi monocouche homogène Densité de flux conductif traversant la paroi e

32 Transferts de chaleur Conduction
Transfert par excitation de proche en proche des molécules. Analogie électrique Paroi multicouche homogène

33 Transferts de chaleur Conduction
Propriétés des matériaux: valeur de conductivité

34 Transferts de chaleur Rayonnement
Transferts par ondes électromagnétiques. Emittance totale d’un corps gris M : densité de flux énergétique émise par une surface dans toutes les directions du ½ espace et dans toutes les longueurs d’ondes avec

35 Transferts de chaleur Rayonnement
Réception de rayonnement: Emission de rayonnement

36 Transferts de chaleur Rayonnement
Flux net émis entre deux surfaces infinies: Formule brute Formule linéarisée pour une surface S1 dans des conditions ambiantes Valable pour DT<100K

37 Transferts de chaleur Convection
Transfert avec support matériel et avec transfert de masse : entre un solide et un fluide Densité du flux échangé : h : coefficient d’échange convectif h : évalué par valeurs forfaitaires, corrélations de nombres adimensionnels, ou abaques. h : dépend du fluide h : dépend du type de convection établie : naturelle ou forcée

38 Transferts de chaleur v Convection Types de convection
Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. Convection forcée : mouvement des particules du à « moteur » extérieur. v

39 Transferts de chaleur Convection Convection naturelle :
mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. Nombres adimensionnels : Corrélations :

40 Transferts de chaleur Convection Convection naturelle :
mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. Méthode de calcul Calculer Pr, Gr Choisir la corrélation Calculer Nu Déduire h de Nu

41 Transferts de chaleur Convection
Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. Tableaux de valeurs de h (W/m²/K): DT (°C) 1 2 3 5 10 15 20 30 Mur vertical 2,3 2,6 2,9 3,5 3,8 4,2 4,6 Mur horizontal Flux vers le haut X 1.33 Flux vers le bas X 0.67

42 Transferts de chaleur Convection Convection forcée
Corrélation nombres adimensionnels Écoulement laminaire sur une plaque (Re< 2000) Ecoulement turbulent sur une plaque (Re >3000) Corrélation simplifiée V: vitesse du vent [m/s]

43 Chapitre 2: Production d’ECS dans les bâtiments
Généralités sur les systèmes de production individuels / collectifs Systèmes ECS solaires Principes généraux Dimensionnement des installations

44 Généralités sur les systèmes
Fonctions essentielles d'une installation de production d'ECS : la production proprement dite, la distribution, la fourniture Evaluation des besoins Les besoins augmentent : l’hygiène corporelle, les exigences des clients, les offres des constructeurs, le niveau d’équipement des logements …. Les besoins diminuent : le coût du m3 d’eau froide, le lave-vaisselle, le nombre de personnes dans un logement, plus de douche, moins de bains. Les grandeurs à déterminer pour le calcul de dimensionnement: La puissance thermique à installer : elle tient compte de la puissance nécessaire pour chauffer l'eau et pour maintenir en température la boucle de recyclage ou du réseau de distribution. le volume de stockage les débits maximaux dans chaque tronçon de tuyauterie, pour le calcul du réseau de distribution

45 Généralités sur les systèmes
Règles de l’art : Les documents techniques ci-dessous précisent les règles à observer pour l’obtention d’une installation d’ECS de qualité. DT 60.1 : Travaux de plomberie sanitaire pour bâtiment à usage d’habitation DTU 60.5 : Canalisations en cuivre. Distribution d’ECS et d’EFS. DTU 65.3 : Installations de sous station d’échange à eau chaude sous pression DTU 65.9 : Installation de transport de chaleur ou de froid et d’ECS entre production et bâtiments. DTU 65-10 : Règles générales de mise en œuvre : Canalisations d’ECS et d’EFS sous pression.

46 Généralités sur les systèmes
Classification des systèmes: Production individuelle : Électrique, semi-instantanée, Électrique à accumulation, Chauffe-eau thermodynamique, Au gaz, instantanée, Au gaz à accumulation, Solaire Par chaudière individuelle à gaz double usage, instantanée, Par chaudière individuelle à gaz double usage, semi-instantanée, A combustible solide ou liquide avec chaudière et production d’ECS intégrée ou séparée (pavillonnaire) Production collective : Instantanée électrique, Instantanée à combustible A semi-instantanée électrique Semi-instantanée à combustible A accumulation à combustible A accumulation électrique Par PAC avec récupération de chaleur

47 Généralités sur les systèmes
Exemples de systèmes Production instannée par fluide primaire et à gaz Système à accumulation par fluide primaire et éléctrique

48 ECS solaire Principes généraux Données climatiques
Données climatiques générales

49 ECS solaire Principes généraux Données climatiques
Données climatiques générales h : hauteur a : azimut(h)

50 Principes généraux ECS solaire
Données climatiques nationales : carte d’ensoleillement en kWh/m².j

51 Principes généraux ECS solaire
Données climatiques régionales : ensoleillement moyen mensuel en Wh/m².j sur un plan horizontal et pour un capteur orienté nord et incliné de 16° Moyenne annuelle de l’énergie reçue par m² : 5350 kWh/m².j Variant mensuellement entre 4000 et 6000 kWh/m².j

52 Principes généraux ECS solaire
Données climatiques régionales : nombres d’heure d’ensoleillement annuel (h/an)

53 Principes généraux ECS solaire Données climatiques régionales
Rayonnement solaire: Rayonnement global (pyranomètre) diffus (pyranomètre avec anneau) Direct (pyrhéliomètre)

54 Principes généraux ECS solaire Autres données climatiques
Températures d’eau : Métropole variable entre 5 et 18°C suivant la région et le mois: cf données Tecsol. Polynésie : Moyenne 25,7°C (estimation ) Température ambiante : Elle intervient sur le rendement des capteurs. Identification avec relevés météo en fonction du site. Vents : Influence sur les pertes thermiques du capteur Tenue des installations aux vents en métropole respect des règles NV65 -> Eurocodes. Mois Janv Fev Mars Avr Mai Juin Juil Aout Sept Oct Nov Dec T° exterieure 26,1 27,1 27,3 25,7 25,3 24,3 24,2 24,5 25,1 26 T° eau froide 25,9 26,4 26,5 25,5 25 25,4

55 Principes généraux ECS solaire 1.2 Évaluations des besoins
Plus l’évaluation est précise : meilleur est le dimensionnement Réhabilitation : mesures ou études des factures d’eau. 2 méthodes Neuf : suivi de la réglementation Identiques aux installations de production d’ECS classiques : En collectif : Besoin en ECS : Besoins énergétiques : Becs : Somme au niveau de l’immeuble des consommations de chaque logement (kwh) Np : nombre de personnes DT : écart de température eau chaude – eau froide (env 45°C)

56 Principes généraux ECS solaire 1.2 Principe de l’installation
captage, transfert, stockage, appoint, distribution. § optimiser le captage et le stockage de l’énergie solaire, § dissocier l’énergie solaire et l’énergie d’appoint, § consommer en priorité l’énergie solaire, § conserver à l’énergie d’appoint un caractère de stricte complémentarité.

57 ECS solaire Principes généraux Principe de l’installation

58 Principes généraux ECS solaire Principe de l’installation : captage
Un capteur solaire reçoit un flux solaire et ré-émet un flux thermique En plus des pertes par rayonnement, les pertes par convection peuvent être importantes. Pour réduire les pertes par la face arrière du capteur, l’absorbeur est placé à l’intérieur d’un coffre dont les parois internes sont recouvertes d’un isolant thermique. L’isolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre l’absorbeur et l’air, un matériau opaque au rayonnement thermique, mais transparent au rayonnement solaire. Les verres et certains matériaux synthétiques sont transparents pour le rayonnement solaire, et opaques pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures transparentes des capteurs solaires.

59 Principes généraux ECS solaire Principe de l’installation : captage
Flux radiatifs et convectifs (W/m²) échangés : capteur plan classique.

60 Principes généraux ECS solaire Principe de l’installation : captage
Capteurs à revêtement sélectif : pour réduire les pertes du capteur on utilise, sur la surface de l’absorbeur, un revêtement sélectif, présentant un coefficient d’absorption le plus élevé possible pour les longueurs d’onde du spectre solaire (inférieures à 2,5 mm) tout en ayant une émissivité la plus faible possible dans le domaine de l’infrarouge correspondant au rayonnement de l’absorbeur (longueurs d’onde supérieures à 2,5 mm). De tels revêtements sélectifs sont réalisés par dépôt chimique ou par traitement électrochimique de la surface absorbante. Capteurs sous vide : réduire les pertes par convection en plaçant l’absorbeur à l’intérieur d’une enceinte en verre dans laquelle un vide d’air à été fait.

61 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Bilan énergétiques En régime permanent, on obtient l’équation caractéristique d’un capteur solaire plan en écrivant son bilan énergétique global. Qu = Qa _ Qp Qu est la puissance cédée au fluide caloporteur, Qa est la puissance solaire absorbée, §Qp est la puissance correspondant aux pertes thermiques. la puissance absorbée, en Watts, est : Qa = A . ts . as . G - A surface d’entrée du capteur en m² , - ts et as :valeurs moyennes des coefficients de transmission de lacouverture transparente et d’absorption de l’absorbeur sur l’ensemble du spectre solaire, - G est l’éclairement énergétique global en W/m² (de surface d’entrée), mesuré dans le plan du capteur. (Généralement G=1000 W/m²)

62 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Bilan énergétiques Évaluation des pertes En négligent les pertes par les parois latérales : Qp = QAV + QAR Avec : QAV / A = UAV (Tm-Ta) et QAR / A = UAR (Tm-Ta) Soit : QP / A = U (Tm-Ta) U = UAV + UAR UAV = coefficient de déperditions thermiques par la face avant (W/m2. K) UAR = coefficient de déperditions thermiques par la face arrière (W/m2. K) Tm = température moyenne de l’absorbeur Ta = température ambiante moyenne

63 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Évaluation du rendement Le rendement du capteur en régime permanent peut être évalué par : Selon la normalisation internationale (ISO) et européenne (CEN), le rendement d’un capteur plan peut être caractérisé par trois coefficients indépendants de la température : h = h0 – a1T* - a2 T*² § h0 : coefficient de conversion optique (%) § a1 : coefficient de déperditions thermiques par conduction (W/m2.K) a2 : coefficient de déperditions thermiques par convection (W/m2.K2) T* = (Tm-Ta) / G : température réduite.

64 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Évaluation du rendement Climat chaud fortement ensoleillé T de production basse Climat froid peu ensoleillé T de production élevée Variation journalière Capteur sous vide Capteur à vitrage et sélectif Capteur sans vitrage T* = (Tm-Ta) / G

65 ECS solaire Principes généraux
Principe de l’installation : Évaluation du rendement T* = (Tm-Ta) / G

66 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Évaluation du rendement Pour des valeurs de T* inférieures à 0,07, on peut raisonnablement représenter ces variations par des relations linéaires. Le rendement s’écrit alors : h = h’ – a’T* Dans la norme française NF P50-501, les coefficients h’ et a’ sont nommés respectivement : § Facteur optique du capteur (B) § Conductance thermique totale des pertes (K)

67 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Raccordement des capteurs Capteur avec Avis Technique et certification. capteurs de même marque et de même type. caractéristiques physiques voisines,( pdc) Problème de l’équilibrage du réseau Bon dimensionnement et ajustement sur site Règles de conception hydrauliques :

68 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Stockage : nécessaire car production discontinue de l’énergie solaire. L’accumulation de l’énergie dans le stockage se traduit par une élévation de sa température. Rendement du capteur fonction de la température entré et de sortie => la température de d’entée de l’eau ds le capteur (= T° sortie stockage) doit être la plus basse possible Transfert de chaleur : des capteurs vers le ballon ; § par circulation forcée avec une pompe commandée par un dispositif de régulation, § par circulation naturelle ou thermosiphon. aucun dispositif de régulation pas de pompe concernent généralement que certaines fabrications de chauffe-eau individuels

69 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Transfert de chaleur entre capteurs et stockage par échangeurs: Les échangeurs intégrés au stockage : échangeurs noyés. Les échangeurs extérieurs au stockage. Classification: sens de circulation Contre courant Co courant Courant croisé Classification: Type de construction Tubulaires À plaques Ailetés… Dimensionnement : 2 méthodes : méthode du DTLM méthode du NUT (Nombre d’Unités de Transfert) ou de l’efficacité

70 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Echangeur contre courant Echangeur co courant Tce Tfs Tfe Tcs DTa DTb Tce Tfs Tcs Tfe DTa DTb Puissance échangée

71 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Méthode DTLM : On connaît les 4 températures et les débits => on cherche la surface d’échange Contre courant Co courant Puissance réelle échangée : f: Facteur de correction pour les configuration autre que co et contre courant (à utiliser avec DTLM à contre courant). Kg: Coefficient d’échange thermique global de la paroi entre les deux fluides (W/m²K) S : surface d’échange (m²) DTLM : Écart de température logarithmique moyen pour les configurations co et contre courant

72 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Avec :

73 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Méthode NUT : On connaît les 2 températures d’entrée et la géométrie => on cherche les températures de sortie Basé sur l’évaluation de la puissance max d’un échangeur parfait infini: Efficacité : La méthode propose de calculer l’efficacité de l’échangeur par des abaques ou des corrélations construites à l’aide du : Rapport des débits Nombre d’unités de transfert :

74 Principes généraux ECS solaire
Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie Valeur de L’efficacité

75 Principes généraux ECS solaire Principe de l’installation : Régulation
Objectif : déclencher la circulation d’eau dans le circuit primaire dès que les conditions sont favorables : si T° sortie capteur > T° stockage Type de régulation : Simple différentielle

76 Principes généraux ECS solaire Principe de l’installation : Régulation
Double différentielle

77 Principes généraux ECS solaire Principe de l’installation : Régulation
Par sonde d’ensoleillement

78 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Besoin ECS Critères & contraintes Données météos Définition de certains composants Données économiques Méthode en 5 étapes : Recueil des données Définition des principes de l’installation Pré-dimensionnement Sc0; Vs0; I0 Optimisation du dimensionnement Sc; Vs; I Finalisation; évaluation Couts, temps retour…

79 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Recueil des données Besoin ECS: Température de ECS consommation journalière Critères & contraintes : Rentabilité économique minimum Investissement max Surfaces disponibles pour capteurs et ballons Intégration architecturale des capteurs Données météos Température moyenne mensuelle Moyenne mensuelle rayonnement global horizontal journalier Température d’eau froide mensuelle : Définition de certains composants : Surface unitaires capteurs, coefficients B, K Volume et constante de refroidissement du stockage Données économiques : Coût d’investissement Coût de l’énergie d’appoint

80 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Recueil des données : Implantation du champ de capteurs Évaluation des masques lointains ou proches: Par héliogramme pour des obstacles spécifiques Évaluation d’un coefficient d’ensoleillement fonction de la hauteur moyenne (en degré) des obstacles faisant face aux capteurs pour les masques éloignés

81 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Recueil des données : Implantation du champ de capteurs Évaluation des masques lointains ou proches: Coefficient d’ensoleillement pour des masques proches

82 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Principe de l’installation 1 : Circuit direct à circulation forcée 2 : Circuit avec échangeur interne à circulation forcée, 1 pompe 3 : Circuit avec échangeur externe à circulation forcée, 2 pompes 4 : Circuit direct avec circulation en thermosiphon 5 : Circuit avec échangeur interne à circulation en thermosiphon Le circuit direct est incompatible avec l’utilisation d’antigel La circulation en thermosiphon n’est possible que pour des petites installations L’échangeur interne pose des problèmes de tenue des ballons à la corrosion

83 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Principe de l’installation : choix des composants Type de capteurs (voir courbe de rendement) Plan : pour la production d’ECS « classique » Sous vide : pour ECS à haute température, surface disponible faible, taux de couverture élevé. Modèle de capteur : suivant données constructeurs Bon rendement => B fort , K faible Échange : Direct : si pas présence d’antigel Indirect : obligatoire si antigel Noyé : coût moindre, pb de corrosion et accessibilité en cas d’encrassement Externe =>à plaques: Faire des comparatifs de différentes solutions, si nécessaire.

84 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Pré dimensionnement : calcul de la surface de capteur Sc Valeur de Sc : Fixer Sc0 par On s’autorise un plage de variation autour de cette valeur : Application des contraintes : Surface disponible avec N capteurs: Choix de l’inclinaison : fonction de la latitude et des besoins Généralement : b= latitude

85 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Pré dimensionnement : calcul du volume de stock Vs Valeur de Vs : Fixer Vs0 par Vj : consommation journalière en moyenne mensuelle On s’autorise un plage de variation autour de cette valeur : Application des contraintes : Prise en compte de la surface disponible pour le stock en local technique Contraintes liées à la méthode

86 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation Dimensionnement Objectifs : finaliser le choix de Sc et VS Méthode : Tester différentes configurations par le calcul : Configurations : Itérations afin de trouver une installation optimisée techno économiquement

87 Le dimensionnement de l’installation
ECS solaire Le dimensionnement de l’installation 2.5. Evaluation économique de l’installation Investissement: Cout d’exploitation : Difficile à évaluer car fonction de la performance de l’installation et du coût de l’énergie d’appoint

88 Chapitre 3 : Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes : Cycle thermodynamique à compression de vapeur Evaluation des performances Optimisation des performances Conception des installations : Les différents systèmes

89 Moteur thermique: Principe
Systèmes de climatisation Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Tsortie cond Tentrée cond Moteur thermique: Principe Travail mécanique Turbine Tentrée evap Tsortie evap

90 Machine thermique Principe :
Systèmes de climatisation Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Tsortie cond Tentrée cond Machine thermique Principe : Travail mécanique Tentrée evap Tsortie evap

91 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Composants principaux (Split Systems) : Compresseur Condenseur Détendeur Evaporateurs

92 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Diagramme enthalpique T=cte Liquide Liquide + Vapeur Vapeur P h

93 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Principe : 4 3 2 5 1 6 7

94 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Evolution simplifiée du fluide : 1 et 2 : compression isentropique. Fluide = vapeur surchauffée. 2 et 3 : désurchauffe 3 et 4 : condensation et transfert de chaleur vers source chaude. Pression et température constantes. 4 et 5 : sous refroidissement 5 et 6 : détente isenthalpique et vaporisation partielle. 6 et 7 : vaporisation à pression et température constante. 7 et 1 : surchauffe avant son admission dans le compresseur.

95 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Evaluation des puissances instantanées: Production de froid Bilan sur le fluide frigo h6 h4 h7 h1 h2

96 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Evaluation des puissances instantanées: Production de froid Bilan sur l’air

97 Systèmes de climatisation
Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Évaluation générale de la performance en production de froid Quelques soient les conditions d’opération Valeur de référence : Efficacité de Carnot Valeur de l’installation : Efficacité

98 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances L’efficacité des systèmes de climatisation : EER / COP Attention aux : évaluation : en production de chaud (COP) VS production de froid (EER) approches diverses : européennes VS américaines évaluations : instantanées (EER) VS évaluations saisonnières (SEER, ESEER,…) Méthode européenne : Norme EN 14511:2004: L’EER (Energy Efficiency Ratio) Mesures faites à charge pleine et Conditions de fonctionnement stabilisées (Tint = 26°C et Text=35°C) Le COP (Coefficient of performance)

99 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances L’efficacité des systèmes de climatisation : EER, COP Définition suivant méthodes américaines : « Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute » (AHRI) L’EER (Energy Efficiency Ratio) Mesures faites à charge pleine et Conditions de fonctionnement stabilisées (Table 1) Le COP (Coefficient of performance) . D ’ou : EER = COP

100 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances L’efficacité des systèmes de climatisation : EER / COP Attention aux approches diverses !! Définition suivant méthodes américaines : « Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute » (AHRI) Le SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) de l’AHRI Evaluation par Conditions d’opération (Tint et Text) variables Fonctionnement à charge partielle : Part Load Ratio (PLR) variant de 0 à 100%. Avec Et : SEER = A.EER100% + B.EER75% + C.EER50% + D.EER25% SEER (AHRI) PLR Text (°C) Coefficients 100% 35 A 1% 75% 26,7 B 42% 50% 18,3 C 45% 25% 12,8 D 12%

101 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances L’efficacité des systèmes de climatisation : EER / COP Attention aux approches diverses !! Méthode européenne : Norme EN 14511:2004: L’ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) Idem SEER mais avec des conditions et des unités Européennes SEER = A.EER100% + B.EER75% + C.EER50% + D.EER25% ESEER (Eurovent) SEER (AHRI) PLR Text (°C) Coefficients Text (°C) 100 % 35 A 3% 1% 75% 30 B 33% 26,7 42% 50% 25 C 41% 18,3 45% 25% 19 D 23% 12,8 12%

102 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances Méthodes d’évaluation EUROVENT Eurovent Certification certifie les performances de produits de climatisation et de réfrigération, en accord avec les normes européennes et internationales. Suivant norme EN 14511 Extrait de certification : modèle réversible Extrait de certification : modèle climatiseur

103 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances L’efficacité des systèmes de climatisation et étiquette énergie

104 Systèmes de climatisation
Evaluation des performances L’efficacité des systèmes de climatisation fct des conditions d’opération

105 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Limiter l’écart entre Tf et Tc: Conditions climatiques d’opération Coefficient d’échange sur les batteries Encrassement, corrosion Vitesse d’air (?) Pertes de charge (pression) dans les conduites

106 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Aspect pratique : Trois problématiques essentielles : La sélection La mise en œuvre La maintenance Maintenance des installations : Encrassement des unités intérieure et extérieure : visualisation de la dégradation par le givrage Corrosion des parties extérieures : jusqu’à 20% de chute d’efficacité.

107 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Sélection du matériel: Performances acoustiques Sélectionner des équipements < 55dB pour les unités intérieures Attention aux « vrais » mesures Sources : Philippe RIVIERE, ARMINES, “TECHNICAL ANALYSIS OF EXISTING PRODUCT”S”:

108 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Sélection du matériel Méthodes d’évaluation EUROVENT Eurovent Certification certifie les performances de produits de climatisation et de réfrigération, en accord avec les normes européennes et internationales. Extrait de certification : modèle réversible Extrait de certification : modèle climatiseur

109 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Sélection du matériel: Efficacité énergétiques : organismes certificateurs indépendants… Eurovent ARI ISO… Attention aux données constructeurs Source : MERCHAT Michèle et al. «  Performances énergétiques globales des systèmes de réfrigération »

110 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Optimisation des performances : Dimensionnement La question du taux de charge : 2 théories Ancienne étude (19xx) Etude de 2003 (EECCAC J. Adnot, Armines) Etude pour 5 splits différents

111 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Optimisation des performances: Technologie Inverter: Ajustement électronique de la fréquence d’alimentation du compresseur pour moduler sa vitesse Moins de démarrage du compresseur : durée de vie allongée Régulation plus fine de la température du local

112 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Optimisation des performances Etude de 2009 ECODESIGN Si surdimensionnement incontournable => Modèle inverter à privilégier

113 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Optimisation des performances

114 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Mise en œuvre et implantation des unités Intégration architecturale et fonctionnelle : exemple…

115 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Aspect pratique : mise en oeuvre

116 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Aspect pratique

117 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Optimisation des performances : Aspect pratique Attention : voir éléments de la maintenance Opticlim

118 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Maintenance Influence de la maintenance : suivi des performances de 3 split avec des maintenances différentes Climatiseur 1 : sans nettoyage sur la période de mesure Climatiseur 2 : avec nettoyage classique en début et fin de période Climatiseur 3 : avec nettoyage à eau sous pression en début et fin de période

119 % de réduction E.E.R. sur 1 an
Systèmes de climatisation Optimisation des performances Influence de la maintenance : suivi des performances de 3 split avec des maintenances différentes Type de nettoyage % de réduction E.E.R. sur 1 an Classique 34 % Pas de nettoyage 38 % à eau pulsée 7 %

120 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Puissance totale, sensible et latente

121 Systèmes de climatisation
Optimisation des performances Influence de l’humidité intérieure (Charges latentes).

122 Les Différents systèmes de climatisation
Climatisation VS rafraichissement Climatisation : obtenir une consigne de température stricte Attention : Décret du 19 mars 
« Dans les locaux dans lesquels est installé un système de refroidissement, celui-ci ne doit être mis ou maintenu en fonctionnement que lorsque la température intérieure des locaux dépasse 26° C » Applicable depuis le 1er juillet 2007. Rafraichissement : écart de température par rapport a l’extérieur (confort adaptatif…)

123 Les Différents systèmes de climatisation
Classification Unité de climatisation Unité simple Par pièce (RAC) MONOBLOC Split Unité centralisée Bâtiment complet ou groupe de pièces À air Centrale de traitement d’air (CTA) À eau Groupe a eau glacée +Ventilo-convecteurs À réfrigérant Volume de réfrigérant variable (VRV) Multisplits

124 Les Différents systèmes de climatisation
Monobloc (Window): Ancienne génération (packaged) Intérêt : possibilité d’assurer le renouvellement d’air…. Nouvelle génération (single duct) inconvénient : possibilité d’assurer le renouvellement d’air….

125 Les Différents systèmes de climatisation
Split system Refroidissement Chauffage si réversible Déshumidification non contrôlée

126 Les Différents systèmes de climatisation
Centrale de Traitement d’Air (ex : multizone): Air hygiénique Free cooling Chauffage Refroidissement Humidification Déshumidification

127 Les Différents systèmes de climatisation
Groupe d’eau glacée et ventilo-convecteur (ex : 2 tubes): Chauffage ou refroidissement (commutation centrale) Déshumidification non contrôlée

128 Les Différents systèmes de climatisation
Groupe d’eau glacée et ventilo-convecteur (ex : 4 tubes): Chauffage et/ou Refroidissement (commutation locale) Déshumidification non contrôlée

129 Les Différents systèmes de climatisation
Système multi-split Système à détente directe

130 Les Différents systèmes de climatisation
Système Volume de réfrigérant variable Possibilité de fonctionnement réversible (chaud ou froid) Possibilité de récupération d’énergie (chaud et froid): inversion du rôle des échangeurs évaporateur/condenseur Technologie multsplit avec variation du débit de réfrigérant en fonction de la charge généralement par Inverter Récupération d’énergie => équilibre : Demande de chaud = demande de froid

131 Les Différents systèmes de climatisation
Comparaison des performances Monobloc Source : Centre d’Energétique, Ecole des Mines de Paris Attention : la fenêtre est ouverte!!!

132 Les Différents systèmes de climatisation
Comparaison des performances Comparaison mesures/données constructeurs Source : Climespace

133 Les Différents systèmes de climatisation
Grille de choix et limites d’utilisation Groupe eau glacée CTA VRV split Game de puissance > 15 kW >15kW 5kWa 100 kW Jusqu’à près de 64 unités 1,5 à 15kW Application Grosses installation Sans traitement spécifique Fort besoin d’air neuf Traitements d’air spécifiques Tertiaire, commercial Besoins combinés (chaud/froid) Résidentiel Petit tertiaire Petit commercial Traitement d’air Froid et/ou chaud Froid, chaud, humidification, déshumidification Froid et/ou chaud Froid ou chaud (réversible) Durée de vie Jusqu’à 20 ans 12 ans 7 à 8 ans Limites d’utilisation Surface locaux > 300m² Distance < 120m Déniveler entre unité < 15m cf plus loin