Economies d énergie. Classe : Lycée et BTS Discipline : Science et Technologie

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1 Economies d énergie Classe : Lycée et BTS Discipline : Science et Technologie Durée : 4 heures Thème abordé : Economie d énergie et de matière première Objectifs : - A partir d un exemple industriel concret, faire un inventaire des solutions permettant de réaliser des économies d énergie et de matière première. - Connaître des termes importants : HQE, - Identifier le type d énergie et les technologies associées. - Décrire le principe de fonctionnement de chaque solution - A partir d un dossier précis, justifier des éléments de l installation - Savoir calculer un retour sur investissement Prérequis : Formules de base d électricité. Les différentes technologies, HQE, Retour sur investissement Concepts à maîtriser en fin de séquence Sources : PREMIERE PARTIE : Economies d énergie et de ressources en matière première (par groupe de 2 à 4 élèves) Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p1/14

2 I. Visionner les deux vidéos présentant l entreprise PRO FIL. Noter les solutions techniques de production ou d économie d énergie qui sont utilisées dans cette entreprise sur le document réponse n 1. II. Compléter le tableau ci-dessous en notant : - le nom de la solution employée - le type d énergie ou de matière première économisée - très succinctement le principe de fonctionnement. SOLUTIONS D ECONOMIE D ENERGIE Nom Energie Principe Géothermie (Puits canadien) Thermique Récupération de la chaleur de du sol Ventilation mécanique double flux Thermique Récupération de la chaleur de l air devant être évacué par la ventilation Récupération maximale de l énergie thermique du soleil Orientation plein sud Thermique, Lumineuse Pompe à chaleur Thermique Récupération de la chaleur de l air extérieur Chauffe eau solaire Thermique Création d eau chaude sanitaire à partir de l énergie thermique fournie par le soleil Détection de présence Electrique Eclairer uniquement lors de la présence du personnel Eclairage basse consommation Electrique, Augmentation confort lumineux Utiliser une technologie présentant un bon rendement et améliorant la qualité de l éclairage Chauffage rayonnant Thermique Concentrer la chaleur en direction du personnel Isolation renforcée Thermique Limiter les pertes thermiques en augmentant l isolation SOLUTIONS D ECONOMIE DE MATIERE PREMIERE Nom Matière première Principe Recyclage des déchets plastiques Dérivés pétroliers (plastique) Réutilisation du plastique pour une deuxième vie Recyclage des déchets papiers et bois Bois et cartons Incinération pour chauffage cimenteries Récupérateur eau de pluie Eau potable Récupération, stockage, et utilisation de l eau de pluie dans les sanitaires DEUXIEME PARTIE : Synthèse (réalisée par chaque groupe et l enseignant) 1) Présentation de la charte HQE : L enseignant présente les conditions nécessaires pour obtenir le label HQE (Haute Qualité Environnementale) Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p2/14

3 L enseignant s appuie sur les diapositives 5 et 6 du document power point présentant l entreprise. Possibilité d étendre la présentation avec les exemples suivant sur le site de l association HQE. 2) Débats autour des solutions : (2 ou trois solutions par groupe) Le but est de confronter les réponses des groupes, et de corriger le tableau donné dans la première partie ainsi que le document réponse n 1 (image page suivante). 3) Synthèse de chaque solution : En utilisant le document au format power point (diapositives 7 à 41), l enseignant réalise une synthèse des solutions mises en œuvre dans cette société. 4) Recensement des sources d énergie qui ne sont pas utilisées dans cette entreprise : Débat autour des moyens de production et ou d économies d énergie qui ne sont pas encore mis en œuvre dans cette entreprise. Photovoltaïque Eolien Bois-énergie (granulés de bois, copeaux, paille ) TROISIEME PARTIE : Approfondissement (travail par groupe de 2 à 4 élèves) Cette troisième partie est l occasion d approfondir quelques uns des points vus précédemment. Travail par groupe de 2 à 4 élèves, en conditions identiques à celles de TPE sur un des deux thèmes suivants - Eclairage basse consommation (tubes fluorescents) - Puits Canadien Dans un premier, prendre connaissance des deux dossiers. Chaque groupe choisi un dossier et traite l exercice qui s y rapporte L exercice se trouve à la fin de chaque dossier. Deux groupes différents présenteront une correction des exercices. Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p3/14

4 Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p4/14

5 Dossier éclairage par tube fluorescent et ballast I. Généralités sur le tube fluorescent : Fonctionnement interne de la lampe : Les lampes fluorescentes fonctionnement suivant le principe des lampes à décharge. Des électrons sont émis par les deux électrodes en tungstène qui composent le tube. A travers le tube, ces électrons entrent en collision avec des atomes de mercure. Il en résulte alors une libération d énergie sous forme d ultraviolets. C est la couche fluorescente présente sur la face interne des tubes qui absorbe cette énergie et la transforme en lumière visible. Domaine d utilisation : Les tubes fluorescents sont des lampes très utilisées. On les retrouve dans des applications comme l éclairage des bureaux, entreprises, lorsque les hauteurs ne sont pas préjudiciables, dans les hypermarchés... Types de tubes fluorescents existants : Aujourd hui, vous pouvez trouver deux familles de tubes en vente sur le marché. Leur différence provient de leurs caractéristiques : - Tube T8 : tube fluorescent actuellement installé dans la plupart des entreprises. Diamètre du tube : 26 mm. - Tube T5 : tube récent plus petit, moins puissant et ayant des caractéristiques d éclairement meilleures à puissance égale. Diamètre du tube : 16 mm. Pour connaître les caractéristiques et avantages des tubes fluorescents T5, se reporter à la documentation de l ADEME : Tubes fluorescent haut rendement. II. Fonctionnement d un tube fluorescent avec ballast ferromagnétique On asocie souvent deux tubes fluorescents dans le même luminaire, c est le cas pour l entreprise Pro Fil qui utilise des luminaires de 2 x 58 W. Contrairement à une lampe à incandescence, un tube fluorescent ne peut pas fonctionner seul. Un luminaire classique contient deux tubes fluorescents de 58 W chacun et un dispositif de commande ferromagnétique (classe énergétique B ; C ou D) : - deux starters - deux ballasts ferromagnétiques - un condensateur Le ballast et le starter sont deux éléments nécessaires pour amorcer un tube fluorescent. BILAN DE PUISSANCE : 2 tubes Schéma de 58 électrique W : 116 W pour un tube 58 W 140 W par Luminaire + + Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p5/14

6 1 ballast : 24 W de pertes III. Fonctionnement d un tube fluorescent avec ballast électronique Un luminaire électronique comporte deux tubes fluorescents de 58 W chacun et un dispositif de commande électronique. Un seul pour deux tubes fluorescents. + BILAN DE PUISSANCE : 2 tubes de 58 W Ballast + 2 tubes : 105 W 105 W par Luminaire CONCLUSION : Le simple fait de passer d un dispositif de commande (ballast) classique à un ballast électronique permet une économie de 20%. Autres avantages des ballasts électroniques : - Avec un ballast ferromagnétique, les tubes fluorescents ont tendance à scintiller lorsqu ils sont allumés (car alimentés par des signaux de fréquence basse). Ce n est plus le cas avec des ballasts électroniques, puisque les tubes sont alimentés par des signaux haute fréquence. - L utilisation de ballasts électroniques augmente la durée de vie des tubes fluorescents de 50%. Aussi, un tube de durée de vie moyenne heures pourra fonctionner heures. Ballasts électronique et ballasts électroniques gradables : Le ballast électronique décrit précédemment permet une économie d énergie de l ordre de 20%. Il existe des ballasts électroniques gradables (dimmables), qui, en plus de l économie d énergie de 20%, permettent de faire varier la lumière dans une proportion de 1% à 100 % du flux lumineux. A 1% du flux lumineux, la consommation énergétique est alors quasi-nulle. Différentes solutions sont alors envisageables pour augmenter les économies d énergie : - faire varier la luminosité d une pièce en fonction de l apport de lumière extérieure - créer différentes zones d éclairage en fonction des besoins IV. Installation présente dans l entreprise Pro Fil L éclairage d un atelier est généralement réalisé avec des tubes fluorescents. Les tubes utilisés sont des tubes fluorescents de type T8. Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p6/14

7 Ils sont commandés par des ballasts électroniques. Chaque luminaire installé comporte deux tubes de 58 W chacun. Les luminaires sont répartis comme indiqué sur le schéma ci-dessous Rangée de 18 luminaires Rangée de 18 luminaires V. Retour sur investissement L utilisation de ballasts électroniques entraîne un surcoût de matériel par rapport à une solution avec des ballasts ferromagnétiques. En effet, on peut estimer les ballasts et accessoires nécessaires pour un luminaire à 20. Par contre le ballast électronique nécessaire à un luminaire a un prix de revient de 45. Ce surcoût est amorti en 7 ans. VI. Autres critères d économie Outre la technologie de la lampe (T5 ou T8), la technologie des ballasts électroniques (ferromagnétique, électronique, électronique gradable), il est possible d accroître les économies d énergie en utilisant des techniques ou appareils spécifiques : - utilisation de détecteurs de présence : En l absence de personnel dans une zone de l atelier, ou dans tout l atelier, il est inutile d éclairer. Inséré dans le circuit de commande, un détecteur de présence permet de réaliser une économie substantielle allant jusqu à 20 %. - utilisation d horloges programmées : En utilisant des horloges programmées, on est sûr de d allumer et d éteindre l éclairage aux heures voulues le matin et le soir. L économie d énergie peut alors aller jusqu à 10%. Le tableau ci-dessous est un document réalisé par l ADEME. Il donne une idée des économies d énergie réalisables en fonction des techniques de gestions mises en œuvre. Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p7/14

8 Source ADEME : Variation et gestion de l éclairage industriel et tertiaire Exercice : Justification par le calcul du retour sur investissement de l éclairage par ballast électronique. 1) Compléter le tableau ci-dessous : Puissance consommée par un luminaire (2 tubes de 58 W) Puissance installée pour tout l atelier Calculer le courant consommé par l installation d éclairage Economies réalisables sur le matériel électrique Solution avec ballast Solution avec ballast ferromagnétique électronique 140 W 105 W 18 x 2 x 140 = W 18 x 2 x 105 = W (20% de moins ) FP = 0,87 FP = 0,95 I = 5040 / (0,87 x 230) I = 3780 / (0,95 x 230) I = 25, 3 A I = 17,3 A Le diamètre des câbles électriques alimentant les luminaires semble être plus petit dans le cas de ballasts électroniques. De même pour le calibre du disjoncteur de protection h (6 heures par jour pendant 180 jours et 2 h par jour pendant 140 jours) Nombre d heure d utilisation par an Consommation annuelle électrique pour l éclairage de Nombre de kwh/an = 6550 Nombre de kwh/an = 4900 l atelier Prix moyen du kwh Prix du kwh = 8 c Coût de la consommation Coût = 524 Coût = 392 Economie par an avec des ballasts électroniques 132 2) Quel est le surcoût lié à l installation de ballasts électroniques? 18 x 2 * (45 20) = ) Quelle est alors la durée du retour sur investissement? Retour sur investissement = 900 / 132 = 7 ans Dossier puits canadien Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p8/14

9 I. Comment ça marche? Le «puits canadien» a pour principe de faire circuler l air extérieur dans une canalisation enfouie dans le sol avant de l injecter dans le circuit de ventilation d un bâtiment. Le sol présente une inertie thermique beaucoup plus élevée que celle de l air extérieur, sa température varie moins en fonction de l heure et de la saison. Elle est pratiquement constante à partir de quelques mètres de profondeur (source Ekopedia) : Un puits canadien permet d exploiter l écart de température entre ces deux milieux : par rapport à une ventilation classique, on obtient ainsi un léger réchauffement de l air en hiver et son rafraîchissement en été. II. Quel est le confort apporté? Même si cette différence de température est insuffisante pour assurer à elle seule le chauffage et le rafraîchissement d un bâtiment, elle se traduit néanmoins par une économie d énergie non négligeable sur chauffage en hiver et sur la climatisation en été. Dans certains cas, cette dernière peut même devenir superflue. Dans le cas d une résidence secondaire, si le dimensionnement est bien réalisé, le maintien «hors gel» peut être obtenu. III. Contraintes de mise en œuvre. Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p9/14

10 La profondeur d enfouissement de la canalisation est un compromis entre le coût des travaux de terrassement et la température effective du sol. Une profondeur importante permet d accéder à zone où la température est stable toute l année (de 10 à 15 C suivant la région). Une profondeur moindre permet cependant de bénéficier du «déphasage» entre de la température du sol et la température ambiante : on récupère en soirée la chaleur accumulée par le sol en journée. Par contre, on perd en efficacité en intersaison : il peut être alors nécessaire arrêter le fonctionnement du puits canadien. En général, une profondeur de 1,5 à 2 m est «suffisante». Entrée du puits : Elle doit être conçue de manière à éviter l introduction d air pollué dans le circuit de ventilation. Il est faut donc : La placer en hauteur (1,20 m), dans une zone dégagée à l écart des voies de circulation, afin de ne pas aspirer les gaz stagnants ou de la poussière. Le couvercle doit être protégé contre les intempéries et muni d un grillage fin empêchant l entrée de rongeurs, d oiseaux ou de moustiques. Utiliser un matériau faiblement émissif de vapeurs toxiques ou d odeurs. Procéder à un entretient périodique. Canalisation souterraine : Elle constitue l échangeur thermique entre l air et le sol et doit présenter entre autres les caractéristiques suivantes : Résistance à l écrasement du à l enfouissement. Bonne conductibilité thermique pour permettre l échange de chaleur entre sol et air. Insensibilité à l oxydation car la face externe est soumise aux infiltrations d eau et la face interne à la condensation. Bonne étanchéité afin d éviter les infiltrations d eau, de bactéries, de moisissures et éventuellement de radon, un gaz radioactif d origine naturelle. Ne pas dégager pas de vapeurs nocives. La plupart des matériaux usuels ne répondent pas à toutes ces exigences : PVC : peu cher mais susceptible de dégager des composés toxiques et conductibilité thermique assez médiocre. Polyéthylène (PE) : assez cher. Béton : bonne conductibilité thermique et bonne résistance mécanique, mais l étanchéité entre les sections est difficile à obtenir. Fonte : excellente conductibilité thermique et bonne résistance mécanique, mais étanchéité également problématique, avec éventuellement un risque oxydation. En définitive, seuls des conduits conçus spécialement pour la réalisation de puits canadien peuvent convenir, par exemple : Des tuyaux en Polypropylène bleu, avec une couche intérieure bactéricide. Sortie du puits : Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p10/14

11 Elle doit être munie d un siphon assurant l évacuation de l eau qui se forme par condensation de l humidité présente dans l air circulant dans la canalisation. Une trappe ou un coude démontable peut éventuellement faciliter le nettoyage. La présence d un by-pass optionnel permet l arrivée directe d air extérieur. Modes de circulation de l air : L air peut circuler dans la canalisation suivant deux modes : Passif : on exploite la différence de pression entre l entrée et la sortie du puits. Soit on crée une surpression à l entrée en la plaçant face aux vents dominants, soit on crée une dépression à la sortie d évacuation de l air du local grâce à une cheminée solaire. Ces procédés ne consomment pas d énergie électrique mais ils sont très dépendants des conditions climatiques et ne permettent pas d obtenir un fonctionnement optimal. Forcé : La législation impose d installer dans les locaux d habitation une ventilation mécanique motorisée (VMC) afin d assurer le renouvellement de l air. Sous réserve que le ventilateur soit suffisant puissant pour compenser les pertes de charge des conduits, ont peut alimenter la VMC à partir du puits canadien. Des études comparatives ont été menées sur ce type d association. On constate un gain de chauffage maximal avec une VMC double flux, qui permet de récupérer la chaleur de l air vicié avant de le rejeter, au prix cependant d une moindre capacité de rafraîchissement en été (d après David Amitrano) : Comparaison du gain énergétique d une ventilation double flux (VDF), un puits canadien (PC, prof.=2.5 m, L=30 m), et d une ventilation double flux avec entrée d air prise sur le puits canadien (VDF+PC). Pour ce dernier cas on précise l apport de la VDF seule. L ensemble des courbes correspond à un débit d air de 90 m3/h. Le gain de chauffe annuel est donné par rapport à une ventilation mécanique de 90m3/h avec prise d air extérieur. IV. Critères de dimensionnement Si le principe de fonctionnement d un puits canadien est simple, son dimensionnement nécessite de prendre en compte de nombreux paramètres qui influent sur le flux thermique maximal récupérable. On peut citer entre autres : Profondeur d'enfouissement : incidence sur température de la «source chaude/froide». Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p11/14

12 Longueur, diamètre et nombre de tubes : incidence sur la surface de «l échangeur» air/sol et sur les pertes de charges donc sur l efficacité du puits. Débit de l air : Il doit être modéré pour permettre un bon échange thermique (l air doit avoir le temps d atteindre la température du sol) mais aussi suffisamment élevé pour garantir le renouvellement de l air dans le local imposé par la législation et pour extraire le maximum de chaleur du sol. Les courbes suivantes démontrent que (d après David Amitrano) : Flux thermique en fonction du débit : Pour une différence de température et un débit donnés, l augmentation de la longueur de la canalisation ne permet pas de dépasser une valeur maximale de flux «récupérable». Flux thermique en fonction du débit : Le flux thermique est proportionnel au débit d air et à la différence de température air/sol. Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p12/14

13 Autres contraintes : La vitesse de l air doit rester inférieure à 3 m/s. Le rapport entre le volume et la surface d échange du tube avec le sol ne doit pas être supérieur à 6. On trouve sur internet des sites proposant des formulaires de calcul. Par exemple : L ensemble de ces critères amène à utiliser couramment les paramètres suivants : Profondeur : 1,5 à 2 m Canalisation : Diamètre maximal de 24 cm. Longueur variable en fonction des besoins et de la surface disponible. Ordre grandeur pour une maison : 20 m. Pour réduire les pertes de charges, il peut être plus avantageux de mettre plusieurs tuyaux de section plus petite en de longueur moindre en parallèle. Débit : dépend du diamètre des canalisations et de la vitesse de l air. Ordre de grandeur pour une maison : 250 m3/h. Exemples de réalisation : Exercice : Etude du puits canadien du site de production de la société PRO FIL. A partir : de la plaquette de présentation de la société PRO FIL ; du dossier «puits canadien» fournissant les notions de base et des sites de référence ; des données fournies ponctuellement ; Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p13/14

14 Répondre aux questions suivantes : En supposant que les surfaces des différentes zones de chauffage sont sensiblement égales, quelle est la température moyenne dans les ateliers? Diapo 14/41 : Moyenne : ( ) / 3 = 14 C. Comment la ventilation des locaux est-elle assurée? Diapo 15/41 : Par une «VMC» fonctionnant uniquement la nuit pour l atelier. Diapo 16/41 : Par une «VMC» double flux alimentée par un puits canadien. Quels arguments peut-on utiliser pour justifier ce choix de ventilation? Atelier : L ouverture fréquente des portes lors de la manutention des matières premières et produit finis permet d obtenir un renouvellement de l air suffisant ; L activité ne produit pas de dégagement de vapeur d eau ou de gaz toxique ; Il y a peu de personnel pour un volume élevé. Le fonctionnement de la VMC le jour serait superflu et provoquerait une consommation d énergie électrique ainsi qu une perte d énergie thermique car cette VMC n étant pas «double flux», on rejetterait de l air sans récupérer sa chaleur. Bureaux : La densité de personnel est importante et le volume assez faible : le renouvellement de l air doit être permanent le jour. Une VMC «double flux» permet de récupérer la chaleur de l air vicié. De plus le puits canadien réchauffe l air prélevé à l extérieur, ce qui améliore encore l efficacité énergétique, au moins en hiver. A l aide du formulaire de calcul, donnez la longueur souhaitable pour que le puits canadien puisse contribuer efficacement au chauffage des bureaux en hiver. Données : Dimensions des bureaux : hauteur 2,5m ; surface 50 m2 au rez de chaussée et au 1 er étage ; Temps de renouvellement total de l air : 1 h ; Canalisation : en Polypropylène bleu de 25 cm de diamètre et 5 mm d épaisseur. Températures : sol : 10 C ; air : -10 C ; souhaitée en sortie du puits : 9 C minimum. Hygrométrie : 50 % ; Le formulaire donne une longueur théorique de 12,7 m. A l aide du formulaire de calcul, donnez la longueur souhaitable pour que le puits canadien puisse contribuer efficacement au rafraîchissement des bureaux en été. Données inchangées sauf : Températures : sol : 15 C ; air : 30 C ; souhaitée en sortie du puits : 20 C maximum. Hygrométrie : 30 % ; Le formulaire donne une longueur théorique de 10,6 m. Quelle longueur doit-on choisir afin d obtenir le confort souhaité en hiver et en été? Au moins 12,7 m. La vitesse de l air dans la canalisation est-elle inférieure à la limite préconisée? Oui : V = 1,5 m/s < 3 m/s. Dossier économie d énergie entreprise PRO FIL Dossier élève p14/14