Construction basse énergie IEPS Colfontaine Section Énergies et Environnement Année scolaire 2006 - 2007 Construction basse énergie Suivi d’un projet de bâtiment administratif Travail de fin d’étude La Rocca Francesco IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

bâtiment administratif Inspiré des critères basse énergie Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Origine du projet bâtiment administratif Inspiré des critères basse énergie Étude intégrée : bâtiment - systèmes de chauffage/refroidissement Buts du stage Observer dans la pratique l’évolution d’un tel projet Aborder le point de vue techniques/matériaux de construction Aborder le point de vue technologies/matériels de chauffage & refroidissement Transposer dans la pratique la théorie vue en cours IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Vues du bâtiment IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Élévation avant 50 m Élévation arrière IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif ÉLÉVATION LATÉRALE GAUCHE 30 m ÉLÉVATION LATÉRALE droite IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Acteurs du projet PROVINCE du HAINAUT Architectes Techniques spéciales Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Acteurs du projet PROVINCE du HAINAUT Architectes Techniques spéciales Faculté Polytechnique Mons Pôle énergie com6 IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Les Objectifs Contraintes Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Les Objectifs Définir les principales caractéristiques de construction Définir les principales caractéristiques de Système de chauffage et refroidissement Contraintes Minimisation Be via une conception adaptée du bâtiment Minimisation Be énergie primaire non renouvelable Prises en comptes des fonctions du bâtiment (horaires, apport internes) Assurer le confort Techniques de conception éprouvées Matériaux éprouvées et aisément disponible Techniques de chauffages et refroidissement éprouvées IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Visite de bâtiments - VIESSMAN à Roulers Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Visite de bâtiments - VIESSMAN à Roulers IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Évaluation des Be annuels en énergie de chauffage et refroidissement. Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Be Mode opératoire Évaluation des Be annuels en énergie de chauffage et refroidissement. Echanges réguliers d’informations entre la FPMs et les techniques spéciales Évaluations successives des Be Réorientation des choix de conception, matériaux et technologiques conditionnant au final les systèmes de chauffage et de refroidissement la consommation d’énergie annuelle les puissances nécessaires IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Choix de départ pour le chauffage Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Choix de départ pour le chauffage PAC géothermique utilisant le sol avec échangeurs verticaux intégrés aux fondations utilisant l’eau à partir de la nappe phréatique (Puisage ≈ 80 m, réinjection, ≈ 50 m) Système de distribution par plancher L’ECS produite à partir de panneaux solaires Choix de départ pour le refroidissement Utilisation d’un système passifs Deux sources possibles (la nappe phréatique, échangeurs verticaux) Complément dynamique nocturne via la VMC IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Les étapes - Étude de l’enveloppe Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif C Les étapes - Étude de l’enveloppe Détermination de la compacité Prise de conscience de la nécessité de maîtriser les apports internes Influence du K sur la demande de chauffage et sur les surchauffes -30,00 -20,00 -10,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 K20 K25 K30 K35 K40 K45 Pour le niveau d’isolation K30, Variation simultanée de plusieurs paramètres: répartitions surfaces vitrées facteur d’ombrage Fixe facteur d’ombrage variable Be kWh/(m².an) Indice surchauffe °C IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Les étapes - Étude de l’enveloppe Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Les étapes - Étude de l’enveloppe Les enseignements au niveau Be de chauffage et allures des surchauffes Les niveaux d’isolation K30-K40 raisonnables Permettent le respect du budget et donnent lieu à une demande en énergie de chauffage gérable par un système de distribution par le sol associé à une PAC Nouveaux bâtiments Rénovation lourde Logements K55 K65 Bureaux et écoles K70 législation existante IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Après la méthode normalisée, étude réalisé par TRNSYS TRNSYS: Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif S Les étapes -- Be en fonction du type de parois et de l’épaisseurs de l’isolant Après la méthode normalisée, étude réalisé par TRNSYS TRNSYS: Outils informatique utilisé par la FPMs permettant d’obtenir un profile des Be en fonction du temps Nombreuses simulations action bénéfique d’un récupérateur de chaleur sur les Be Obligation pour assurer le confort thermique de procéder à un chevauchement Ponctuels pour des périodes chauffe & refroidissement IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Installation avec récupération. Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif S Les étapes – Récupérateur de chaleur Installation sans récupération Installation avec récupération. IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Les étapes – Simulation dynamique Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Les étapes – Simulation dynamique Figure 8: modèle mono zone Demande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) sans récupération de chaleur sur l’air extrait : Période de chauffe Période de rafraîchissement Renouvellement d’air [h-1] Quantité de chaleur [kWh/an] ; [kWh/m².an] Puissance chauffe max [kW] de froid [kWh/an] ; [kWh/m².an] de refroidissement max [kW] Cas 1 Toute l’année 0,75 116 985 ; 41,3 106,0 Cas 2 1/10  30/04 1/05  30/09 116 492 ; 41,1 8756 ; 3,0 75,2 Cas 2 bis 1/10  15/04 16/04  30/09 115 013 ; 40,6 8798 ; 3,1 Cas 3 1/10  15/05 16/05  30/09 116 848 ; 41,2 Figure 9 : modèle mono zone Demande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) avec récupération de chaleur sur l’air extrait : Période de chauffe Période de rafraîchissement Renouvellement d’air [h-1] Quantité de chaleur [kWh/an] ; [kWh/m².an] Puissance de chauffe max [kW] Quantité de froid [kWh/an] ; [kWh/m².an] Puissance de refroidissement max [kW] Cas 4 Toute l’année 2 28 369 ; 10,0 81,5 Cas 5 1/10  15/05 16/05  30/09 19 470 ; 6,9 50,0 1599 ; 0,56 84,7 Cas 6 1/10  31/05 1/06  30/09 1 7 917 ; 2,8 37,8 6125 ; 2,16 77,2 Cas 7 1,5 13 286 ; 4,7 44,3 2902 ; 1,02 79,1 IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Quantité de chaleur selon bâtiment Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Les étapes – Simulation dynamique Figure 10 : modèle multizones Demande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) avec récupération de chaleur sur l’air extrait Cas 9 Cas 10 Cas 11 Cas 12 β [h-1] 1,5 0,75 1 Quantité de chaleur NORD [kWh/an] ; [kWh/m².an] 28 935 ; 10,2 18 210 ; 6,4 18 269 ; 6,4 21 733 ; 7,7 Quantité de chaleur SUD [kWh/an] ; [kWh/m².an] 12 922 ; 4,6 7593 ; 2,7 9305 ; 3,3 Quantité de chaleur TOTALE 41 857 ; 14,8 25 803 ; 9,1 25 862 ; 9,1 31 308 ; 11,0 Quantité de froid NORD [kWh/an] ; [kWh/m².an] 201 ; 0,07 558 ; 0,19 337 ; 0,12 618 ; 0,22 Quantité de froid SUD [kWh/an] ; [kWh/m².an] 385 ; 0,13 1394 ; 0,49 1194 ; 0,42 1573 ; 0,56 Quantité de froid TOTALE 586 ; 0,20 1952 ; 0,68 1532 ; 0,54 2191 ; 0,77 Puissance de chauffe MAX [kW] 43,9 36,6 36,5 39,0 Puissance de froid MAX [kW] 55,5 53,5 48,4 Quantité de chaleur selon bâtiment Type bâtiment kWh/m².an Existants 150-450 Réhabilitation 45-75 Neuf standards 115-300 Basse Energie 35 Passifs 15 Cas 9 et 10: période chauffe 1er oct.  31 mai Cas 11 : période chauffe 1er oct.  30 avril (zone sud) 1er oct.  31 mai (zone nord) Cas 12 : période chauffe 1er oct.  1er juin : Période refroidissement 1er mai  1er oct. En mai chauffe&refroidissement possibles simultanément. IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Schéma hydraulique x ECS Reprise Pulsion Rejet d’air Air neuf 3 4 1 2 IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Choix de production et distribution chauffage Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Choix de production et distribution chauffage La puissance de la PAC fixée finalement à 50 kW (39kW + 28%) La puissance dissipée par le plancher chauffant est de 18 W/m² (alors que 58 W/m² est un maximum) Nappe phréatique car mise en œuvre aisée, stabilité t °, pas recharge thermique IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement PAC Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Hypothèse dimensionnement PAC t° entrée à partir de la nappe 10°C t° sortie vers la nappe 5°C t°entrée du fluide frigorifique 7°C t°sortie du fluide frigorifique 2°C ε échangeur 62,5% t° évaporateur -1°C surchauffe à l’aspiration +5K t° fluide caloporteur à l’entrée plancher 35°C t° fluide caloporteur à la sortie plancher 30°C t° fluide frigorigène au condenseur 38°C η isentropique 0,7 η électrique 0,9 Puissance 50kW Puissance électrique compresseur 15,21 kWh Puissance électrique pompe de puisage 1 kWh Temps fonctionnement 620h Consommation électrique 10050 kWh/an (16,21 kWh * 620h) IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement – Schéma de principe Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Hypothèse dimensionnement – Schéma de principe 50kW 10°C 5°C 2°C 7°C 4°C 38°C 35°C 30°C HIVER SF 33°C HIVER SC -1°C IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement via COOLPACK Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif 18 12 Hypothèse dimensionnement via COOLPACK Refrigerant: R404A Values at points 1-6,15 for the selected one stage cycle | | x x 2 | x x '| | 4 ___x______________x______ _'_| | | x x ' 3 | 15|x x ' | x x ' | x| x ' | x |_________________x__6 ' | x 5 x |' | x x 1 | x x |_______________________________________ Point T P v h s [°C] [bar] [m^3/kg] [kJ/kg] [kJ/(kg K)] 1 4,084 5,839 0,035327 372,250 1,6334 2 55,133 17,297 0,012264 404,021 1,6628 3 55,133 17,297 0,012264 404,021 1,6628 4 37,687 17,297 N/A 259,553 N/A 5 N/A 5,839 N/A 259,553 N/A 6 4,084 5,839 0,035327 372,250 1,6334 15 N/A 17,297 N/A 259,553 N/A Te [°C] = -1,00 Tc [°C] = 38,00 DT subcooling [K] = 0,00 DT superheat [K] = 5,00 Dp condenser [Bar] = 0,00 Dp liquid line [Bar] = 0,00 Dp evaporator [Bar] = 0,00 Dp suction line [Bar] = 0,00 Dp discharge line [Bar] = 0,00 Isentropic efficiency = 0,70 --------------------------------------------- Calculated: Qe [kJ/kg] = 112,697 Qc [kJ/kg] = 144,469 W [kJ/kg] = 31,771 COP [-] = 3,55 Pressure ratio [-] = 2,962 Dimensioning: Qe [kW] = 0,000 Qc [kW] = 0,000 m [kg/s] = 0,00000000 V [m^3/h] = 0,0000 Volumetric efficiency = 0,00 Displacement [m^3/h] = 0 W [kW] = 0,000 Q loss [kW] = 0,000 IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement via COOLPACK Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif 18 12 Hypothèse dimensionnement via COOLPACK IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement via COOLPACK Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Hypothèse dimensionnement via COOLPACK COP Pu / P dépensée  50 kW / 16,21 kW = 3,08 Puissance calorifique = 404,021 – 259,553 = 144,468 kJ/kg Puissance frigorifique = 372,250 – 259,553 = 112,697 kJ/kg Puissance compresseur = 404,021 – 372,250 = 31,771 kJ/kg COP Chaud = 144,468 / 31,771 = 4,55 COP Froid =112,697 / 31,771 = 3,55 log p 55,133°C Cop idéal froid TF / TC-TF 10 + 273,15 / (20 + 273,15) – (10 + 273,15) 283,15 / 293,15 – 283,15 = 28,3 37,687°C 4 2 17,297 3 η = 3,08 / COPidéal = 3,55 / 28,3 =0,108 4,084°C 15 -1°C 5 6 5,839 COP ne tenant pas compte de la désurchauffe Puissance calorifique 384,560 – 259,553 = 125,007 kJ/kg COP = 125,007 / 31,771 = 3,93 1 h 384,56 h1 259,553 372,250 h2 404,021 P frigorifique P compression P calorifique IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement - Calcul Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Hypothèse dimensionnement - Calcul Qv échangeur évaporateur - eau 7°C Eau 7°C  þ:999,96 kg/m³ , C: 4,198 kJ/kg P= Qm.C.Δt Qm= P/ C.Δt Qm= 39 / 4,198 . 5 Qm= 6688,89 kg/h Qv= Qm/þ Qv= 6688,89 / 999,96 Qv= 6,689,15 m³/h Qv= 6689,15 l/h 50kW 10°C 5°C 2°C 7°C 4°C 38°C 35°C 30°C HIVER SF 33°C = ε 7 -2 7-(-1) 62,5% 38 – 33 38 -30 10 – 5 10 - 2 HIVER SC Qv nappe - eau 10°C Eau 10°C  þ:999,77 kg/m³ , C: 4,192 kJ/kg Qm= 39 / 4,192 . 5 Qm= 6698,47 kg/h Qv= 6698,47 / 999,77 Qv= 6,70001 m³/h Qv= 6,700,01 l/h -1°C Qm Condenseur P= Qm.Δh Qm= P/Δh Qm= 50 kW / 144,468 Qm= 1245,9 kg/h Qm Evaporateur P=Qm. Δh P= 1245,9. 112,697 P= 39 kW Puissance compresseur P= 1245,9. 31,771 P= 10,99kW Qv plancher - eau 35°C Eau 35°C  þ:994,08 kg/m³ , C: 4,178 kJ/kg Qm= 50 / 4,198 . 5 Qm= 8616,5 kg/h Qv = 8616,5 / 994,08 Qv = 8,667,8 m³/h Qv= 8667,8 l/h IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Choix de production et distribution refroidissement Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Choix de production et distribution refroidissement La puissance pour refroidissement fixé finalement à 60 kW (48,4 kW calculé) Nappe phréatique car mise en œuvre aisée, stabilité t°, pas recharge thermique IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Hypothèse dimensionnement FREE COOLING – Calcul Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Hypothèse dimensionnement FREE COOLING – Calcul 14°C 17°C 22°C 19°C Qv plancher - Eau 17°C Eau 17°C  þ:998,86 kg/m³ , C: 4,184 kJ/kg P= Qm.C.Δt Qm= P / C . Δt Qm= 60/ 4,184.5 = 10325,04 kg/h Qv= Qm/þ Qv= 10325,04 / 998,86 Qv= 10,33682 m³/h Qv = 10336,82 l/h Qv nappe - eau 14°C Eau 14°C  þ:999,33 kg/m³ , C: 4,187 kJ/kg Qm= 60/ 4,187.5 = 10317,64 kg/h Qv= 10317,64 / 999,33 Qv= 10,32456 m³/h Qv = 10324,56 l/h 60 kW ETE IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Caractéristiques - récapitulatif Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif 25 19 Caractéristiques - récapitulatif Apport internes 35 W/m² Surface vitrage 620 m² Surface sols 2805 m² Épaisseur d’isolant Eurothane 10 cm λ Eurothane 0,023W/m.K Chassis Alu double vitrage thermobel starlite λ 1,56W/m².K Puissance chauffage 50 kW Puissance refroidissement 60 kW Puissance chauffage calculée 48,4 kW Puissance refroidissement calculée 39 kW Puissance pompe 1 kW Débit volumique – évaporateur 6962 l/h Débit volumique – condenseur 10337 l/h Consommation électrique 10050 kWh/an Be selon la norme 186206 kWh/an Be chauffage avec récupérateur 90% selon norme 23891 kWh/an Be chauffage 11 kWh/m².an Be refroidissement 0,77 kWh/m².an Énergie primaire non renouvelable 25125 kWh/an Énergie primaire non renouvelable si chaudière gaz HR 33811 kWh/an Énergie primaire non renouvelable - classique 30 kWh/m².an 93330 kWh/an Be selon simulation dynamique 178086 kWh/an Be chauffage avec récupérateur 90% selon simulation dynamique 21972 kWh/an Puissance surfacique pompe 50 kW & surface 2800m² 18 W/m² Puissance frigorifique plancher max pour 60 kW (60k/2805) 21,4 W/m² Temps occupation du bâtiment * 620 h η électrique 0,9 η isentropique 0,7 Sous-refroidissement sortie condenseur 0 K Puissance max plancher froid Δt 5°K surface/pièce 35W/m² * [ (365j – 150j) . 10h ] . 29% IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Conclusion - Expérience Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif 25 19 Conclusion - Expérience Suivi d’un projet et coordination de tous les acteurs Transposition dans la pratique de points abordés en cours Normes Méthode de Calcul de déperditions Puissance des systèmes de distribution de chaleur & refroidissement Dimensionnement PAC Nappe phréatique comme source Chauffage/refroidissement par le sol Récupérateur de chaleur Mise en évidence de l’importance des critères Type et épaisseur de l’isolant Prise en compte des surchauffes Orientation du bâtiment Ombrage Vitrage Caractéristiques thermiques de l’enveloppe Étanchéité à l’air du bâtiment Ventilation Éclairage et autres équipements Mise au point de feuilles de calcul: K, déperditions thermique parois et locaux IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco

Merci pour votre attention Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif Merci pour votre attention IEPS Colfontaine Energie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco