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Module 2.3 Systèmes thermiques Franck Lucas LP ERME SUPPORTS de COURS.

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1 Module 2.3 Systèmes thermiques Franck Lucas LP ERME SUPPORTS de COURS

2 Objectifs pédagogiques Niveau dacquisition des compétences L'étudiant doit être capable de : 123 DECRIRE : les éléments constitutifs des différents systèmes énergétiques pour la production dECS (notamment solaire), la climatisation des bâtiments la production et lutilisation de la biomasse. x DECRIRE les différents moyens et sources de production dénergie thermique dans les bâtiments x DIMENSIONNER et CONCEVOIR des installations de production dECS solaire individuelles et collectives x DIMENSIONNER et EVALUER des systèmes de climatisation des bâtiments x EVALUER les grandeurs quantitatives et qualitatives liées à lutilisation de la biomasse. x

3 Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base : Systèmes dunités pour lénergétique Thermodynamique Transferts de chaleur Chapitre 2: Production dECS 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 Sommaire

4 Systèmes dunités pour lénergétique Thermodynamique o chaleur latente /sensible o 1er principe Thermodynamique o 2ieme principe Thermodynamique Transferts de chaleur o Conduction o Rayonnement o convection Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base :

5 « Système International dUnités » ( SI) adoptés en unités de base et des unités dérivées Systèmes dunités GrandeurUnités de Base SI Nom : Symbole : Longueurmètrem Massekilogrammekg Tempssecondes Intensité électriqueampèreA Température absolue et différence de température kelvinK Quantité de matièremolemol Intensité lumineusecandelacd

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

7 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 Systèmes dunités

8 Chaleur sensible : elle se manifeste par une élévation de température du corps o m : masse du corps [kg] o c : chaleur massique du corps [J/kg/K] o T : Température initiale ou finale du corps [K] ou [°C] Chaleur latente : elle se manifeste par un changement détat du corps : o L : Chaleur latente de changement détat [J/kg] Thermodynamique

9

10 Chaleur sensible /latente : exemple de leau : o Condensation /Vaporisation o Fusion/solidification o Evolution à Patm Thermodynamique :

11 Les changements détat : Point de changement détat : exemple de leau Thermodynamique

12 Point de changement détat : exemple de leau Diagramme température-pression pour la vapeur saturée Thermodynamique

13 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 déquilibre 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. Thermodynamique

14 Définition 2 : un système est généralement un ensemble matériel (donc constitué de molécules) bien défini. La définition dun système amène à définir une frontière délimitant le système du milieu extérieur Définition 1: La thermodynamique permet de décrire létat déquilibre dun système. Définition 3 : On définira létat dun système par les valeurs numériques que prendront certaines grandeurs physiques caractéristiques de ce système (T, P, V, n …) Létat dun 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. Système Frontière Flux entrant Flux sortant

15 Thermodynamique Transformation de systèmes et fonctions détat La variation X 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 F 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). Equation détat des gaz parfaits Forme générale différentielle : Forme courante: P : pression en Pa V : volume en m 3 T : température en K n : nombre de moles en mol R : constante des gaz parfaits : R = 8,314 J.K -1.mol -1 Thermodynamique Définition : Les chocs entre les particules sont dits élastiques. Lénergie des particules est purement cinétique : pas de force dinteraction (attraction / répulsion). Le gaz est un gaz parfait Exemples : gaz monoatomiques, gaz diatomiques.

17 Energie Interne dun système Conservation de lénergie du système : Prise en compte des frottements : le palet fini par simmobiliser sur la rampe horizontale U : Énergie interne du système (J) Thermodynamique

18 Energie Interne dun système Avec : m : Masse de gaz (kg): c v : Chaleur massique à volume constant (J.kg -1.K -1 ) T : Température absolue du système. Thermodynamique

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

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

21 Thermodynamique

22 Premier principe de la thermodynamique: Application à la transformation de GP : Q et W échangés Evolution à P=cte : o Variation denthalpie pour un GP : avec : c p chaleur massique à pression constante (J.kg -1.K -1 ) Evolution a V=cte : Evolution à T=cte Thermodynamique

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

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

25 Deuxième principe de la thermodynamique Objectif : prévoir le sens dévolution des systèmes et étude des cycles Exemple 1 : détente dun gaz Exemple 2 : Thermodynamique

26 Deuxième principe de la thermodynamique Enoncé de Carnot (moteur) Si une machine fournit du travail au cours dun 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 dun cycle, ne ferait que transférer une quantité de chaleur dune 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 Thermodynamique

27 Source, T 2 Système Q2Q2 W Source, T 1 Q1Q1 Premier principe : ΔU=W+Q 2 +Q 1 =0 W 0, Q1<0 Rendement du cycle : Deuxième principe de la thermodynamique Thermodynamique Cycles moteur dithermes

28 Premier principe ΔU=W+Q 2 +Q 1 =0 W > 0, Q2 0 Performance du cycle : Cycles dithermes de machine thermique Source, T 2 Système Q2Q2 W Source, T 1 Q1Q1 Machine frigorifiquePompe à chaleur (PAC) Thermodynamique

29 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 déquilibre…. Définition des moyens déchange Conduction : avec support matériel, sans transfert de masse Convection : avec support matériel, avec transfert de masse Rayonnement: sans support matériel. Transferts de chaleur

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

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

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

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

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

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

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

37 Transfert avec support matériel et avec transfert de masse : entre un solide et un fluide Densité du flux échangé : h : coefficient déchange 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 Transferts de chaleur Convection

38 Types de convection Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous laction de la poussée dArchimède. Convection forcée : mouvement des particules du à « moteur » extérieur. v Transferts de chaleur Convection

39 Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous laction de la poussée dArchimède. Nombres adimensionnels : Corrélations : Transferts de chaleur Convection

40 Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous laction de la poussée dArchimède. Méthode de calcul Calculer Pr, Gr Choisir la corrélation Calculer Nu Déduire h de Nu Transferts de chaleur Convection

41 Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous laction de la poussée dArchimède. Tableaux de valeurs de h (W/m²/K): T (°C) Mur vertical22,32,62,93,53,84,24,6 Mur horizontal Flux vers le haut X 1.33 Mur horizontal Flux vers le bas X 0.67 Transferts de chaleur Convection

42 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] Transferts de chaleur Convection

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

44 Généralités sur les systèmes Fonctions essentielles d'une installation de production d'ECS : o la production proprement dite, o la distribution, o la fourniture Evaluation des besoins o Les besoins augmentent : lhygiène corporelle, les exigences des clients, les offres des constructeurs, le niveau déquipement des logements …. o Les besoins diminuent : le coût du m3 deau 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: o 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. o le volume de stockage o les débits maximaux dans chaque tronçon de tuyauterie, pour le calcul du réseau de distribution

45 Généralités sur les systèmes Règles de lart : Les documents techniques ci-dessous précisent les règles à observer pour lobtention dune installation dECS de qualité. DT 60.1 :Travaux de plomberie sanitaire pour bâtiment à usage dhabitation DTU 60.5 :Canalisations en cuivre. Distribution dECS et dEFS. DTU 65.3 : Installations de sous station déchange à eau chaude sous pression DTU 65.9 :Installation de transport de chaleur ou de froid et dECS entre production et bâtiments. DTU :Règles générales de mise en œuvre : Canalisations dECS et dEFS 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 dECS 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 Solaire 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 Principes généraux Données climatiques Données climatiques générales ECS solaire

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

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

51 Principes généraux 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 lénergie reçue par m² : 5350 kWh/m².j Variant mensuellement entre 4000 et 6000 kWh/m².j ECS solaire

52 Principes généraux Données climatiques régionales : nombres dheure densoleillement annuel (h/an) ECS solaire

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

54 Températures deau : 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 o en métropole respect des règles NV65 -> Eurocodes. Principes généraux Autres données climatiques ECS solaire MoisJanvFevMarsAvrMaiJuinJuilAoutSeptOctNovDec T° exterieure 26,127,127,3 25,725,324,324,224,525,126 T° eau froide 25,926,426,5 25,725,525 25,125,425,9

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

56 captage, transfert, stockage, appoint, distribution. Principes généraux 1.2 Principe de linstallation optimiser le captage et le stockage de lénergie solaire, dissocier lénergie solaire et lénergie dappoint, consommer en priorité lénergie solaire, conserver à lénergie dappoint un caractère de stricte complémentarité. ECS solaire

57 Principes généraux Principe de linstallation ECS solaire

58 Principes généraux Principe de linstallation : 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, labsorbeur est placé à lintérieur dun coffre dont les parois internes sont recouvertes dun isolant thermique. Lisolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre labsorbeur et lair, 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. ECS solaire

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

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

61 Principes généraux Principe de linstallation : Bilan énergétiques En régime permanent, on obtient léquation caractéristique dun 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. s. s. G - A surface dentrée du capteur en m², - s et s :valeurs moyennes des coefficients de transmission de lacouverture transparente et dabsorption de labsorbeur sur lensemble du spectre solaire, - G est léclairement énergétique global en W/m² (de surface dentrée), mesuré dans le plan du capteur. (Généralement G=1000 W/m²) ECS solaire

62 Principes généraux Principe de linstallation : Bilan énergétiques Évaluation des pertes Q p = Q AV + Q AR Avec : Q AV / A = U AV (Tm-Ta) et Q AR / A = U AR (Tm-Ta) Soit : Q P / A = U (Tm-Ta) U = U AV + U AR U AV = coefficient de déperditions thermiques par la face avant (W/m2. K) U AR = coefficient de déperditions thermiques par la face arrière (W/m2. K) Tm = température moyenne de labsorbeur Ta = température ambiante moyenne En négligent les pertes par les parois latérales : ECS solaire

63 Principes généraux Principe de linstallation : Évaluation du rendement Selon la normalisation internationale (ISO) et européenne (CEN), le rendement dun capteur plan peut être caractérisé par trois coefficients indépendants de la température : = 0 – a1T* - a2 T*² 0 : 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. Le rendement du capteur en régime permanent peut être évalué par : ECS solaire

64 Principes généraux Principe de linstallation : Évaluation du rendement T* = (Tm-Ta) / G Climat chaud fortement ensoleillé T de production basse Capteur sans vitrage Capteur à vitrage et sélectif Climat froid peu ensoleillé T de production élevée Capteur sous vide Variation journalière ECS solaire

65 Principes généraux Principe de linstallation : Évaluation du rendement T* = (Tm-Ta) / G ECS solaire

66 Principes généraux Principe de linstallation : Évaluation du rendement Pour des valeurs de T* inférieures à 0,07, on peut raisonnablement représenter ces variations par des relations linéaires. Le rendement sécrit alors : = – aT* Dans la norme française NF P50-501, les coefficients et a sont nommés respectivement : Facteur optique du capteur (B) Conductance thermique totale des pertes (K) ECS solaire

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

68 Principes généraux Principe de linstallation : Transfert et stockage de lénergie Stockage : nécessaire car production discontinue de lénergie solaire. Laccumulation de lénergie 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 dentée de leau 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 ECS solaire

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

70 Principes généraux Principe de linstallation : Transfert et stockage de lénergie Puissance échangée Tce Tfs Tfe Tcs Tc e Tcs Tfe Tfs Ta Tb Tce Tfs Tcs Tfe Tce Tcs TfsTfe Ta Tb Echangeur contre courantEchangeur co courant ECS solaire

71 Principes généraux Principe de linstallation : Transfert et stockage de lénergie Méthode DTLM : On connaît les 4 températures et les débits => on cherche la surface déchange 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 déchange thermique global de la paroi entre les deux fluides (W/m²K) S : surface déchange (m²) DTLM : Écart de température logarithmique moyen pour les configurations co et contre courant ECS solaire

72 Principes généraux Principe de linstallation : Transfert et stockage de lénergie Avec : ECS solaire

73 Principes généraux Principe de linstallation : Transfert et stockage de lénergie Méthode NUT : On connaît les 2 températures dentrée et la géométrie => on cherche les températures de sortie Efficacité : La méthode propose de calculer lefficacité de léchangeur par des abaques ou des corrélations construites à laide du : Rapport des débits Nombre dunités de transfert : Basé sur lévaluation de la puissance max dun échangeur parfait infini: ECS solaire

74 Principes généraux Principe de linstallation : Transfert et stockage de lénergie Valeur de Lefficacité ECS solaire

75 Principes généraux Principe de linstallation : Régulation Objectif : déclencher la circulation deau dans le circuit primaire dès que les conditions sont favorables : si T° sortie capteur > T° stockage Type de régulation : Simple différentielle ECS solaire

76 Principes généraux Principe de linstallation : Régulation Double différentielle ECS solaire

77 Principes généraux Principe de linstallation : Régulation Par sonde densoleillement ECS solaire

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

79 Le dimensionnement de linstallation 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 deau froide mensuelle : Définition de certains composants : Surface unitaires capteurs, coefficients B, K Volume et constante de refroidissement du stockage Données économiques : Coût dinvestissement Coût de lénergie dappoint ECS solaire

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

81 Recueil des données : Implantation du champ de capteurs Évaluation des masques lointains ou proches: Coefficient densoleillement pour des masques proches Le dimensionnement de linstallation ECS solaire

82 Principe de linstallation 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 dimensionnement de linstallation Le circuit direct est incompatible avec lutilisation dantigel La circulation en thermosiphon nest possible que pour des petites installations Léchangeur interne pose des problèmes de tenue des ballons à la corrosion ECS solaire

83 Principe de linstallation : choix des composants Type de capteurs (voir courbe de rendement) Plan : pour la production dECS « 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 dantigel Indirect : obligatoire si antigel Noyé : coût moindre, pb de corrosion et accessibilité en cas dencrassement Externe =>à plaques: Faire des comparatifs de différentes solutions, si nécessaire. Le dimensionnement de linstallation ECS solaire

84 Pré dimensionnement : calcul de la surface de capteur Sc Valeur de Sc : Fixer Sc0 par Le dimensionnement de linstallation On sautorise un plage de variation autour de cette valeur : Application des contraintes : Surface disponible avec N capteurs: Choix de linclinaison : fonction de la latitude et des besoins Généralement : = latitude ECS solaire

85 Pré dimensionnement : calcul du volume de stock Vs Valeur de Vs : Fixer Vs0 par Vj : consommation journalière en moyenne mensuelle Le dimensionnement de linstallation On sautorise 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 ECS solaire

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

87 2.5. Evaluation économique de linstallation Investissement: Le dimensionnement de linstallation Cout dexploitation : Difficile à évaluer car fonction de la performance de linstallation et du coût de lénergie dappoint ECS solaire

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

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

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

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

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

93 Principe : Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Systèmes de climatisation

94 1 et 2 : compression isentropique. Fluide = vapeur surchauffée. 2 et 3 : dé surchauffe 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. Evolution simplifiée du fluide : Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur Systèmes de climatisation

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

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

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

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

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

100 Lefficacité des systèmes de climatisation : EER / COP Attention aux approches diverses !! o Définition suivant méthodes américaines : « Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute » (AHRI) Le SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) de lAHRI o Evaluation par o Conditions dopération (T int et T ext ) variables o Fonctionnement à charge partielle : Part Load Ratio (PLR) variant de 0 à 100%. o Avec o Et : SEER = A.EER 100% + B.EER 75% + C.EER 50% + D.EER 25% SEER (AHRI) PLRText (°C)Coefficients 100%35A1% 75%26,7B42% 50%18,3C45% 25%12,8D12% Evaluation des performances Systèmes de climatisation

101 Lefficacité des systèmes de climatisation : EER / COP Attention aux approches diverses !! Méthode européenne : Norme EN 14511:2004 : LESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) Idem SEER mais avec des conditions et des unités Européennes ESEER (Eurovent)SEER (AHRI) PLR Text (°C) CoefficientsText (°C)Coefficients 100 % 35A3%35A1% 75%30B33%26,7B42% 50%25C41%18,3C45% 25%19D23%12,8D12% SEER = A.EER 100% + B.EER 75% + C.EER 50% + D.EER 25% Evaluation des performances Systèmes de climatisation

102 Méthodes dévaluation EUROVENT E urovent Certification certifie les performances de produits de climatisation et de réfrigération, en accord avec les normes européennes et internationales. Suivant norme EN o Extrait de certification : modèle réversible o Extrait de certification : modèle climatiseur Evaluation des performances Systèmes de climatisation

103 Lefficacité des systèmes de climatisation et étiquette énergie Evaluation des performances Systèmes de climatisation

104 Lefficacité des systèmes de climatisation fct des conditions dopération Evaluation des performances Systèmes de climatisation

105 Limiter lécart entre Tf et Tc: o Conditions climatiques dopération o Coefficient déchange sur les batteries Encrassement, corrosion Vitesse dair (?) Pertes de charge (pression) dans les conduites Optimisation des performances Systèmes de climatisation

106 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 : jusquà 20% de chute defficacité. Optimisation des performances Systèmes de climatisation

107 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 PRODUCTS: Optimisation des performances Systèmes de climatisation

108 Sélection du matériel Méthodes dévaluation 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 Optimisation des performances Systèmes de climatisation

109 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 » Optimisation des performances Systèmes de climatisation

110 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 Optimisation des performances Systèmes de climatisation

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

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

113 Optimisation des performances Systèmes de climatisation

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

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

116 Aspect pratique Optimisation des performances Systèmes de climatisation

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

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

119 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 % Optimisation des performances Systèmes de climatisation

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

121 Influence de lhumidité intérieure (Charges latentes). Optimisation des performances Systèmes de climatisation

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 Rafraichissement : écart de température par rapport a lextérieur (confort adaptatif…) Systèmes de climatisation

123 Classification Unité de climatisation Unité simplePar pièce (RAC)MONOBLOCSplit Unité centralisée Bâtiment complet ou groupe de pièces À air Centrale de traitement dair (CTA) À eau Groupe a eau glacée +Ventilo- convecteurs À réfrigérant Volume de réfrigérant variable (VRV) Multisplits Les Différents systèmes de climatisation Systèmes de climatisation

124 Monobloc (Window): Ancienne génération (packaged) o Intérêt : possibilité dassurer le renouvellement dair…. Nouvelle génération (single duct) inconvénient : possibilité dassurer le renouvellement dair…. Les Différents systèmes de climatisation Systèmes de climatisation

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

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

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

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

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

130 Système Volume de réfrigérant variable Possibilité de fonctionnement réversible (chaud ou froid) Possibilité de récupération dénergie (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 dénergie => équilibre : Demande de chaud = demande de froid Les Différents systèmes de climatisation Systèmes de climatisation

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

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

133 Grille de choix et limites dutilisation Groupe eau glacée CTAVRVsplit Game de puissance > 15 kW 5kWa 100 kW Jusquà près de 64 unités 1,5 à 15kW Application Grosses installation Sans traitement spécifique Fort besoin dair neuf Traitements dair spécifiques Tertiaire, commercial Besoins combinés (chaud/froid) Résidentiel Petit tertiaire Petit commercial Traitement dair Froid et/ou chaudFroid, chaud, humidification, déshumidification Froid et/ou chaudFroid ou chaud (réversible) Durée de vie Jusquà 20 ans 12 ans7 à 8 ans Limites dutilisation Surface locaux > 300m² Distance < 120m Déniveler entre unité < 15m cf plus loin Les Différents systèmes de climatisation Systèmes de climatisation


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