La climatisation 1° Faut-il climatiser ? Formation Responsable Energie

Bilan thermique d‘hiver : Exemple : bureau pour 2 personnes (4m x 5m x 3m) surface au sol de 20 m², un jour ensoleillé, avec 0°C extérieur : Déperditions : Mur de façade : 0,4 W/m²K * 8 m² * (20-0) K + 1,5 W/m²K * 4 m² * (20-0) K = 184 W Toiture : 0,3 W/m²K * 20 m² * (20-0) K = 120 W TOTAL : = 304 W Apports : soleil fen. : 200 W/m² * 4 m² = 800 W 2 ordinateurs : = 260 W Eclairage : = 200 W 2 occupants : = 140 W TOTAL : = 1400 W

Réflexion : en isolant nos bâtiments, n'avons-nous pas déplacé le problème de l’hiver vers l’été ?...

Mais …. Consommation = Puissance x Temps Comparons la consommation de deux immeubles de bureaux-type : - avec le mode constructif de 1960 - le même mais avec une enveloppe de l’an 2000 Exprimons leur consommation annuelle en fonction de la température extérieure : Consommation T° extérieure -10° 0° 10° 20° 30° Mais …. Consommation = Puissance x Temps

Puissance ? A chaque T° ext. correspond une Puissance de chauffage ou de refroidissement. Exemple pour une paroi :

Temps ? A chaque T° ext. correspond un nombre d’heures durant l’année. Exemple pour Uccle : ( La T°ext. dépasse 24°C durant 150 h/an, soit 2 % du temps…)

Consommation :  Conclusion 1 : augmentation de la demande de refroidissement … mais surtout pour une T° extérieure comprise entre 15 et 24°C !

Les consommateurs électriques sont amplifiés par le coût du kWh électrique : kWh/m²/an €/m²/an 25 20 15 10 5

 Nécessité de développer une stratégie globale ! C’est d’abord la composition architecturale (vitrages, …), puis c’est l’équipement intérieur (bureautique, éclairage, … ), … qui créent la demande !

1° Conception de l'enveloppe ? Pas de façades totalement vitrées, Attention à la coupole horizontale, à l’atrium, … ? Apports solaires par ciel serein en fonction de l’orientation.

? Une enveloppe double peau est une réponse coûteuse à un problème thermique que l’architecte a lui-même créé : la boîte de verre !

Oui à ce judicieux équilibre de lumière et de chaleur, … et à la forte inertie intérieure !

Usage des protections solaires…

2° Apports internes "light" Ecrans plats Contrôle de l’éclairement

Conclusion : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° extérieure < 24°C,... le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir. Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle"  = slab cooling Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule Refroidissement direct. Refroidissement indirect.

Stratégie 1 : Le refroidissement direct par l'air

1.1 Free-cooling unilatéral Un ratio minimum de 4% d’ouverture par rapport à la surface au sol est nécessaire.

1.1 Free-cooling unilatéral

1.2 Free-cooling transversal Cette fois, c’est le vent qui est le moteur. Un ratio de 2% d’ouverture par rapport à la surface au sol suffit.

Exemple : PROBE – CSTC Limelette

Exemple : PROBE – CSTC Limelette Grilles de mai à septembre Protection solaire

Exemple : PROBE – CSTC Limelette

Une façade « perméable » à l’air ?

Motoriser les ouvertures?

1.3 Free-cooling par tirage thermique

1.3 Free-cooling par tirage thermique … avec extraction assistée par ventilateur

Exemple : IVEG

Des cheminées de ventilation naturelle

Exemple : IVEG

Faux-plafond partiel --> Circulation d’air au dessus et en dessous du faux plafond

Protections solaires efficaces Isolation renforcée

Exemple : IVEG

Rappel : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° ext. < 24°C, le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir. Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle  = slab cooling Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule Refroidissement direct. Refroidissement indirect.

Refroidissement par eau (slab cooling) : principe Chargement de la dalle en journée et déchargement la nuit

Refroidissement naturel de nuit + groupe frigorifique d'appoint durant la canicule

Alternative : pompe à chaleur sur sonde géothermique en hiver et circulation d’eau froide en été : … l'eau sort de la sonde à 10°C

Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en oeuvre 1

Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en oeuvre 2 Tuyaux placés au centre de la dalle.

Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en oeuvre 3

Refroidissement par eau (slab cooling) : puissances émises Dalle de béton de 30 cm, recouverte d'un tapis de 1,5 cm (l = 0,15). Mode refroidissement : T° départ d'eau = 16°C T° retour d'eau = 20°C T° ambiante = 26°C (!) Puissance froid : 57 W 37 W/m² vers le bas et 20 W/m² vers le haut (<> plafonds froids : 80 W/m²...) Mode chauffage : T° départ d'eau = 28°C T° ambiante = 20°C Puissance chaud : 40 W 22 W/m² vers le bas et 18 W/m² vers le haut

Refroidissement par eau (slab cooling) : résultats Relevés de température intérieure (vert), extérieure (gris) et température du point de rosée de l'ambiance (rose).

Rappel : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° ext. < 24°C, le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir. Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle  = slab cooling Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule Refroidissement direct. Refroidissement indirect. Exemple : école passive du Biéreau qui aurait une machine frigo en + !

Isoler ? oui, mais le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir en été. En résumé : Isoler ? oui, mais le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir en été. L’enveloppe ne doit pas générer des charges thermiques de plus de 50… 60 W/m² Trois stratégies de refroidissement naturel : l’air par les fenêtres, l’eau dans le cœur de béton, l’air neuf au sein de la climatisation.

Conseils et études en architecture durable LES ACTIVITÉS : Accompagnement de l’esquisse et de l’avant-projet Simulations thermiques et de l'éclairage naturel, évaluations économiques Audits dans la perspective d'une rénovation du bâtiment Accompagnement du projet : plans, cahiers des charges, dossiers de demandes de permis et d’appels d’offres Accompagnement lors de l’exécution Participation à la mise en route du bâtiment, formation des gestionnaires et information des occupants Suivi du bâtiment pendant l'occupation

La climatisation 2° Son fonctionnement Formation Responsable Energie

Vous avez dit : "climatisation ?..."

Bilan thermique d'été : Exemple pour le local de 30 m³, un jour de canicule : soleil fen. : 300 W/m² * 2 m² = 600 W soleil murs :10 W/m² * 10 m² = 100 W Ordinateur : = 130 W Eclairage : = 100 W Occupant : = 70 W TOTAL : = 1.000 W

Conclusions du bilan thermique : 1° puissance max de refroidissement = 1000 W pour 10 m², soit 100 W/m² 2° Soleil = 70 % des apports de chaleur !

Ne pourrait-on refroidir le local avec l'air hygiénique pulsé à 15°C ? Hélas, non... Puissance = débit x rc x DT° = 3 m³/h.m² x 0,34 Wh/m³.K x (25-15) K = 10 W/m², soit 10% des besoins maximum de froid... Souvent, une véritable climatisation est nécessaire.

On rencontre beaucoup de systèmes de climatisation différents. Ils peuvent être regroupés en 3 familles : 1 : la climatisation "tout air" 2 : la climatisation "air + eau" 3 : la climatisation "directe" Passons-les en revue :

Première famille : la climatisation "Tout Air" De l'air est traité dans un gros groupe de préparation d'air et distribué dans tous les locaux.

Première famille : la climatisation "Tout Air" Problème 1 : Pour atteindre les 100 W/m², il faut pulser 10 fois plus d'air à 15°C que d'air hygiénique ! ... attention aux courants d'air froid...

Première famille : la climatisation "Tout Air" Problème 2 : Pour économiser l'énergie, 90% de l'air sera de l'air recyclé et 10% sera de l'air neuf.

Première famille : la climatisation "Tout Air" Problème 3 : La consommation des ventilateurs est très élevée aussi : Ordre de grandeur : Si l’énergie transportée = 100, le ventilateur = 20 ! Energie... qui sera convertie en chaleur !!!

Première famille : la climatisation "Tout Air" Avantage : la climatisation "tout air" permet le "free cooling" du bâtiment. Avec 1 kWh dans les ventilateurs, on peut créer 3,3 kWh de froid via l'air frais extérieur "gratuit", surtout la nuit.

Première famille : la climatisation "Tout Air" Application 1 : on rencontre la climatisation "tout air" à Débit d'Air Constant (DAC) dans les cafeterias, salles de conférence, ... (car de toute façon, beaucoup d'air hygiénique y est requis).

Première famille : la climatisation "Tout Air" Application 2 : on rencontre la climatisation "tout air" à Débit d'Air Variable (DAV) dans les locaux borgnes ou enterrés, les salles de réunions, ...

Nouvelle idée ! Séparons les problèmes : - un conduit d'air apportera seulement l'air hygiénique - le chaud et le froid seront apportés par de l'eau, eau chaude (60°C) ou eau glacée (6°C). La famille des climatisations "air + eau" était née !

Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 1 : le ventilo-convecteur Un ventilateur souffle sur 2 échangeurs, alimentés en eau chaude ou en eau glacée.

Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 2 : le plafond froid De l'eau à 16° refroidit le faux-plafond, un radiateur chauffe en façade.

"frais à la tête, chaud aux pieds" pas de ventilateur, donc pas de bruit , pas de courant d'air, système "air + eau" donc régulation de T° par local pas de condensation dans le local moins de risque bactériologique

Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 3 : la poutre froide Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" poutre statique poutre dynamique Des échangeurs de froid sont directement intégrés sous ou dans le plafond.

> Climatisation par poutres-froides dynamiques poutre statique Attention aux coulées d’air froid… poutre dynamique L’air "colle" au plafond (par effet dit Coanda)

Encore une nouvelle idée ! Lorsque le besoin de refroidissement est limité à quelques locaux, un climatiseur est installé : pas de fluide intermédiaire (air,eau), c'est une petite machine frigorifique qui travaille en direct. Dans le local, un "évaporateur" fait du froid. A l'extérieur, un "condenseur" libère la chaleur. La famille de la climatisation "directe" était née !

Troisième famille : la climatisation "directe" Exemple 1 : le climatiseur L'"évaporateur" fait du froid. Le "condenseur" évacue la chaleur.

Troisième famille : la climatisation "directe" Exemple 2 : le réseau DRV Astuce : un climatiseur est réversible et peut travailler en "pompe à chaleur". D'où la possibilité de faire à souhait du chaud et du froid. C'est la climatisation DRV (Débit de Réfrigérant Variable). Qu’en penser ? Grande souplesse, performance… mais fluide frigorigène dans les plafonds et dépendance de la marque pour la maintenance…

Fonctionnement en "équilibré"                                                                                                                                                                                                    Fonctionnement en "équilibré"

Fonctionnement de la machine frigorifique ?

Partons du climatiseur

Condenseur à l'extérieur Evaporateur à l'intérieur

Reprenons le climatiseur :

L'esthétique en prend parfois un fameux coup !

Application : le réfrigérateur dans la cuisine

Application : l'armoire de climatisation dans la salle informatique

La climatisation 3° Améliorer une installation existante Formation Responsable Energie

Amélioration 1 : Réduire le taux d’air neuf débit d’air neuf pulsé / nombre de personnes effectiv. présentes ? à ramener à 30 m³/h/pers. en modifiant le rapport des poulies Chauffer 1.000m³/h/saison de chauffe demande 1.000 litres de fuel (horaire de bureau : 10h/j 5j/7)

Amélioration 1 : Réduire le taux d’air neuf > Climatisation par poutres-froides dynamiques ? Attention : les puissances frigorifiques des plafonds et poutres froides sont faibles; ---> tendance à augmenter le débit d'air neuf ... très consommateur en hiver !

Humidificateur à pulvérisation Humidificateur à vapeur Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité Ne pas humidifier au dessus de 40% Ne pas déshumidifier en dessous de 65 % Humidificateur à pulvérisation                                                                                          Humidificateur à vapeur                                                                                         

Deux comportements thermiques différents :

Traditionnellement, régulation des laveurs d'air par "point de rosée" : Exemple : voici l'évolution pour une consigne de point de rosée de 14°C, une température de soufflage de 32°C et une consigne ambiante de 22°C

1° Amélioration de la régulation par point de rosée ! Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité 1° Amélioration de la régulation par point de rosée ! Solutions : Dans un premier temps, il importe d'abaisser la température de rosée en hiver et de la relever en été. Cela peut s'imaginer manuellement ou automatiquement par la régulation. Le fonctionnement de l’humidificateur sera asservi à une sonde d’humidité ambiante ou située dans la gaine de reprise commune. Imposer un arrêt total de l'humidification au-dessus d'un seuil de température extérieure : 8°C, par exemple. ... >>> Voir détails dans Energie+

2° Limiter l'énergie de déshumidification Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité 2° Limiter l'énergie de déshumidification Solution : la batterie froide sera régulée en fonction de la température ambiante uniquement (et non pour la déshumidification). Rem : sauf dans les cas où une déshumidification s'impose (les locaux climatisés par plafonds froids ou poutres froides, et les salles où le maintien de conditions d'ambiance strictes est nécessaire).

Amélioration 3 : Adapter les consignes de température Si production de chaud et de froid, prévoir une zone neutre ! Non Oui

Amélioration 4 : En mi-saison, abaisser au maximum la température de pulsion de l’air hygiénique Si T°ext 15°C, Si batterie de froid en marche, Si Air pulsé à 20°C, destruction d'énergie entre chaud et froid !

Amélioration 5 : augmenter la performance de la machine frigorifique

Extrait d’un catalogue de fabricant :

Extrait d’un catalogue de fabricant :

Amélioration 5 : augmenter la performance de la machine frigorifique 1°C en plus à l'évaporateur, c'est 3 % de consommation en moins. 1°C en moins au condenseur, c'est 3 % de consommation en moins.

- augmenter la température d’évaporation Application : Choisir le refroidissement à haute température : plafonds froids, poutres froides ventilo-convecteurs dimensionnés au régime 12-16°C au lieu de 6-11°C T° évaporateur adaptée en fonction de la saison

Exemple : les plafonds froids dans les locaux de bureaux En mi-saison, les plafonds froids peuvent travailler à haute température d’eau (entrée à 17°C et sortie à 19°C).

D'accord, la puissance de refroidissement sera plus faible que si T°eau classique de 15-17°… Mais en mi-saison, les besoins sont plus faibles… 1er gain : moins devoir déshumidifier l’air ambiant 2ème gain : la T° de l’air extérieur est faible, surtout la nuit, ce qui permet un refroidissement naturel de l’eau dans un aérorefroidisseur. T °air = 14°C

Et pendant les périodes de chaleur, le complément est assuré par une machine frigorifique : pose d’une machine frigorifique en parallèle avec l’aérorefroidisseur .

Autre exemple : le free-chilling Au départ , une installation traditionnelle … 11°C eau glacée 6°C Evaporateur Condenseur a eau Tour de refroidissement

Machine frigorifique à l’arrêt Solution 3 : le free-chilling Et si l’émetteur travaille au régime 15°-17°, le free-chilling peut se mettre en place dès que la T° ext. descend sous les 12°C ! … qui est refroidie par de l’air extérieur à moins de 3° C: 11°C eau glacée 6°C Machine frigorifique à l’arrêt Tour de refroidissement

- diminuer la température de condensation Application : Favoriser le travail à basse température du condenseur : larges surfaces de condenseur, tour de refroidissement fermée avec pulvérisation d'eau, détendeur électronique capable de travailler sous faible différence de pression entre la HP et la BP.

Contrôle qualité de l’échange au condenseur : Condenseur à air Condenseur à eau Ecart T°condensation – T° air entrée : max 15 à 20 K Ecart T°condensation – T° eau sortie : max 6 à 10 K

Eviter la recirculation de l’air autour de la tour de refroidissement.                                                                                                               Eviter la recirculation de l’air autour de la tour de refroidissement.

Groupe de production d'eau glacée Amélioration 6 : Machine frigorifique avec rendement élevé ! Au départ : Sélectionner des compresseurs dont le COP ( = rendement ) est élevé selon le standard Eurovent. Groupe de production d'eau glacée Exigé Conseillé Refroidissement par air / Monobloc / Refroidissement seul 2,30 2,55 Refroidissement par air / Monobloc / Réversible 2,35 2,60 Condenseur à air à distance / Refroidissement seul 2,95 3,25 Refroidissement par eau / Monobloc / Refroidissement seul 3,50 4,00 Refroidissement par eau / Monobloc / Réversible   ·        application eau glacée 12°C / 7°C 3,40 3,70 ·        application eau glacée 23°C / 18°C (refroidissement de sols) 4,45 4,80

Puis maintenir ce COP dans le temps... Pas spécialiste ? Demander le maintien du "COP" à la société de maintenance ! Au-delà d'une puissance frigorifique de 150 kW, le COP devrait pouvoir être suivi : compteur d’électricité sur l’alimentation de la machine compteur d'énergie entre l’entrée et la sortie du réseau d’eau glacée.

Résumé ? Pour un bâtiment neuf Pour une installation existante Rechercher les moyens de limiter la charge thermique avant de procéder à la climatisation si on décide de climatiser malgré tout, avoir en tête une stratégie en matière de climatisation des bâtiments qui valorise l'air extérieur. Pour une installation existante Vérifier les postes les plus consommateurs : le débit d'air neuf les consignes de température et d'humidité les destructions entre chaud et froid le bon échange au condenseur de la machine frigorifique

Plus de détails ? Cahier des Charges Energie+ (80 pages en HVAC !) dimensionnement, pertes de charges, niveau d'isolation, ... : Cahier des Charges Energie+ (80 pages en HVAC !) www.energieplus-lesite.be exploitation énergétique des installations : "Guide à l'exploitation URE" dans Energie+ cahier des charges Maintenance URE disponible sur le site de l'IBGE

Comment écrire tous les critères de qualité énergétique dans un Cahier des Charges de maintenance ? C’est déjà écrit ... et c’est dans la boîte !

Les outils «maintenance énergétique» URE Les outils «maintenance énergétique»

CONTENU Introduction Maintenance « énergétique » ? Proposition pour une démarche Prime pour un audit de la maintenance Critères d’évaluation énergétique d’une offre de maintenance Pour un « petit tertiaire» suivi par un installateur-chauffagiste (gestion intermittente) Gestion énergétique : explication didactique  Document de suivi d’une maintenance Contrat type en 2 versions : Version light Version complète Pour un « grand tertiaire » suivi par une équipe de maintenance (gestion continue) Cahier des Charges de maintenance énergétique, version complète Clauses du Cahier des Charges, sélectionnées « à la carte » Contrat type de maintenance énergétique,

Merci de votre motivation ... et toujours à l'écoute de vos suggestions ! J. Claessens jacques.claessens@uclouvain.be