TECHNIQUE DU FROID ET DU CONDITIONNEMENT DE L AIR. Séance : Bilan thermique d une climatisation Date :

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1 TECHNIQUE DU FROID ET DU CONDITIONNEMENT DE L AIR Tâche T1.2 : Analyser les plans d une installation Compétence C1.1 : Collecter, identifier, lister, relever des données Thème : S4 : Approche scientifique et technique des installations frigorifiques Séquence : S4.1: physique appliquée - Thermocinétique Séance : Bilan thermique d une climatisation Date : Objectif de la séance : Détermination d une installation Généralités : Qualité d une bonne climatisation : - Elle doit être multifonctions : ventilation, déshumidification, filtration, rafraîchissement, chauffage. - Elle doit servir en toutes saisons : la climatisation assure le chauffage même s'il existe déjà un système de chauffage, sa fonction chaleur sera appréciée en appoint et mi-saison. - Elle doit être bien dimensionnée : une puissance insuffisante ou excessive est une source d'inconfort et de dysfonctionnement de l'appareil. - Elle doit parfaitement s intégrer au décor, être silencieuse et simple à utiliser: Une bonne climatisation, c'est un équipement que l'on oublie quand il fonctionne et qui manque lorsqu'on en est privé. - Elle doit être étudiée sérieusement : une installation de climatisation doit correspondre à un besoin précis, et lui être adapté. *À chaque local correspond un type d'installation à bien définir dans les moindres détail en fonction de la configuration et de la destination du bâtiment. La solution type n existe pas. Une fois le type d'installation déterminé, le choix des accessoires doit également bénéficier du même soin et lui être parfaitement adapté, qu'il s'agisse des gaines, diffuseurs, silencieux ou filtres... L'étape d'installation est également déterminante pour le confort. Pour cela, les renseignements suivants sont indispensables : Renseignements d'ordre général : - Utilisation du local à climatiser : bureau, chambre, restaurant... - Lieu d'installation : commune, département (s'assurer d une autorisation municipale et préfectorale pour l'implantation de l unité externe). - Plans, avec coupes, du local à climatiser. - Dimensions du local. - Contraintes d'environnement façades classées, cours intérieures, écoulement des eaux... Page 1 sur 12

2 Caractéristiques de la construction : Divers : - Nature et épaisseur des murs extérieurs. - Nature et épaisseur des cloisons. - Surface et orientation des vitrages : simples / multiples ou spéciaux - Nature et emplacement des protections contre l'ensoleillement (stores...). - Nature du plancher et du plafond. - Nature et tension du courant électrique. - Intensité disponible (vérifier le tarif souscrit par l'utilisateur). - Température et pression de l'eau (refroidissement à eau). - Emplacement disponible pour l'installation du ou des appareils. - Bien faire attention aux différences de niveau entre le module interne et le module externe. Il faut avant toute étude, avoir une idée sur la mise en œuvre du climatiseur, pour cela, il faut bien étudier les documentations et connaître les solutions disponibles techniquement. Sélection d un appareil Le choix d'une installation obéit à deux types de critères : les critères de sélection qui précisent les solutions techniques possibles puis les critères de choix qui orienteront le choix final de l'utilisateur. - Les critères de sélection : Ces critères sont imposés par l'architecture des locaux, leur utilisation et les contraintes techniques : - La puissance frigorifique nécessaire - La possibilité d'implantation des différents éléments (voir autorisation municipale et préfectorale pour l'implantation des modules extérieurs). - Adéquation du climatiseur / local à traite. - Puissance à installer : Le dimensionnement s'effectue toujours sur le fonctionnement rafraîchissement, même si l'appareil doit être réversible. La connaissance des caractéristiques du local (exposition, parois, charges internes... ) est indispensable pour effectuer le bilan thermique (voir exemple joint). - Contraintes de mise en œuvre : Les contraintes sont différentes suivant le type de climatiseurs : - Place disponible au mur, au sol ou en toiture (split à air) et respect de l'environnement (demande d'autorisation) - Paroi donnant sur l'extérieur avec possibilité de percement (window) - Local annexe avec alimentation d'eau (split à eau) armoire monobloc - Local climatisé avec alimentation d'eau (console à eau) - Evacuation des condensats (tous types de climatiseurs). Page 2 sur 12

3 - Nombre de points de fourniture de froid : Il n'est pas toujours possible de se satisfaire d'un seul point de fourniture de froid, soit que le local est de grande dimension ou présente une configuration particulière limitant le champ d'action d'une unité de soufflage, soit que l'on ait à climatiser plusieurs locaux. Les contraintes à prendre en compte sont alors : - La possibilité d'implanter un réseau de gaines permettant le traitement des différents points (présence d'un faux plafond pour un local unique, proximité dans le cas de locaux multiples) pour autant que les charges thermiques soient les mêmes. - La possibilité de raccorder différents évaporateurs à un seul condenseur (multisplit). En cas d'impossibilité sur ces deux points, il sera nécessaire de mettre en oeuvre plusieurs appareils indépendants. Critère de choix - Coût d investissement : Le coût d'installation est fonction de la sophistication des appareils, de la puissance et de l'importance des travaux de mise en œuvre. - Coût de fonctionnement : Les appareils réversibles thermodynamiquement permettent une diminution sensible des consommations pour la fonction chauffage. Les consommations en eau associées aux condenseurs à eau perdue augmentent le coût de fonctionnement. - Performances : Les performances thermiques (COP) dépendent directement de la sophistication des appareils (type de compresseurs, régulation). - Confort thermique : Il est lié au type de soufflage d'air et donc à l'emplacement du système de diffusion de l'air frais dans le local. La position la plus favorable est un soufflage horizontal sous le plafond qui permet d'éviter la stratification et la création de courant d'air. - Confort acoustique : À l'extérieur du local (gêne pour le voisinage) : - Veillez à ne pas situer les modules extérieurs près de baies vitrées, prendre également en compte la transmission de bruit par la structure (ex. balcon). - Dans une cour, on veillera au problème de résonance. - Une solution à condensation par eau peut donner satisfaction. - Une demande d'autorisation (Syndic/Copropriété/Mairie/Préfecture) est nécessaire pour l'implantation d'un module externe. Page 3 sur 12

4 À l'intérieur du local : - La climatisation permet d'obtenir un bon confort, fenêtres fermées, ceci va dans le sens d'une amélioration du confort acoustique. - La ventilation de l'air frais engendre un bruit dont l'importance varie suivant le type du climatiseur et sa position par rapport aux zones d'occupation du local. Méthode rapide de calcul des apports calorifiques Cette méthode rapide de calcul permet d'approcher les apports calorifiques d'un local sans connaissance particulière de la composition des murs, cloisons, etc. Cette méthode s'applique à la détermination d'une climatisation de confort. Pour une étude plus précise, utiliser les règles du DTU. Dimensions intérieures du local : L x l ou L x h ou l x h en m² Alimentation électrique disponible : mono 230V - 50 Hz triphasé 400 V - 50 Hz Page 4 sur 12

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7 Exemple de sélection (document CIAT) : Page 7 sur 12

8 Notes sur le bilan thermique : Apports par les occupants : L'homme peut être assimilé à un générateur thermique dont la puissance, fonction de son activité, est assurée par la combustion lente des aliments. Une partie de l'énergie produite est utilisée pour maintenir la température intérieure du corps à un niveau constant, l'autre partie est dissipée dans le milieu ambiant sous forme de chaleur. Le maintien du corps à une température de 37 C est donc subordonnée à un équilibre entre la production de chaleur du corps, métabolisme, et les échanges avec l'ambiance. Le métabolisme d'un individu dépend de son activité. Les apports sont minimaux pour un homme au repos et augmentent avec son activité. Pour un degré hygrométrique moyen (40 à 70% d'humidité relative), la répartition entre apports sensibles et apports latents est fonction de la température sèche du local. Lorsque la température de l'air augmente, les échanges sensibles diminuent et les apports latents augmentent (voir tableau ci-dessous). Ces valeurs correspondent à la quantité moyenne de chaleur et d'humidité dégagée par un homme adulte. Métabolisme humain. Valeur exprimée en Watts. Minoration : pour les femmes : 20% et pour les enfants : 20 à 40% selon l'âge. Importance des protections solaires Le rayonnement solaire à travers un vitrage peut-être plus ou moins réduit en prévoyant une protection solaire, ce qui permet de diminuer en conséquence les apports externes par ensoleillement et surtout la charge frigorifique de pointe à prévoir. Les dispositifs de protection solaire les plus intéressants du point de vue énergétique sont ceux du type mobile, par exemple stores à lamelles orientables, qui vont présenter en été un facteur de transmittance optimal, mais laisser passer suffisamment de lumière pour ne pas nécessiter la mise en marche de l'éclairage en période d'ensoleillement. Par contre, en hiver, on devra pouvoir tirer parti au maximum de l'énergie solaire qui, dans certains cas, peut constituer un apport très important et donc permettre la réduction de chauffage. Du point de vue énergétique, la fenêtre optimale présente les caractéristiques suivantes, une protection mobile placée de préférence à l'extérieur pour l'été, un vitrage isolant (double -vitrage) laissant passer un maximum de lumière naturelle pour ne pas être obligé d'utiliser l'éclairage artificiel. Page 8 sur 12

9 Remarque : les protections solaires extérieures sont plus efficaces parce que, d'une part, la chaleur réfléchie est renvoyée avant de pénétrer dans le local, et que d'autre part, la chaleur absorbée est dissipée à l'extérieur. Dans le cas d'une protection intérieure, la chaleur absorbée est dissipée dans le local et une partie de la chaleur est absorbée à son passage à travers la vitre. Apport air neuf : Apports par l éclairage et les équipements : Les apports par l'éclairage et par les équipements de bureau (ordinateurs, imprimantes...) sont relativement importants, toute l'énergie électrique est effectivement transformée en chaleur. Les charges dues aux équipements correspondent aux puissances électriques des appareils ou à la puissance installée pour l'éclairage. Remarque : Lorsque l'éclairage est réalisé à partir de tubes fluorescents (éclairage des bureaux), la charge surfacique est d'environ 10 W/m2. Par contre, pour les boutiques où l'éclairage est réalisé à partir de spots halogènes très basse tension, la charge surfacique est de 50 W/m2. Page 9 sur 12

10 Adéquation technologique du climatiseur/local à traiter Les critères de choix vont permettre de déterminer si l'appareil à installer peut être monobloc ou split et quel fluide il peut utiliser pour refroidir son condenseur. Notons que la préférence naturelle ira vers un split système air/air. En effet, les splits systèmes offrent la souplesse d'installation de l'unité intérieure, la possibilité d'adapter au mieux la forme de cette unité ainsi que le niveau technique le plus élevé (silence de fonctionnement, ergonomie et confort de commande). Les appareils air/air bénéficient d'un faible coût d'exploitation, l'air extérieur étant gratuit. - Implantation et forme de l'appareil : À partir de là et après lecture partielle des tableaux de sélection, la technologie de l'appareil est déterminée ainsi que sa puissance. Il reste donc à choisir l'implantation de l'appareil dans le local. S'il est évident que cette dernière est imposée dans le cas d'un window (mur donnant sur l'extérieur), elle reste beaucoup plus libre dans le cas d'un split (qu'il soit à condensation à air ou à eau). Les multiples unités intérieures possibles nécessitent l'étude d'autres critères de choix pour sélectionner l'appareil le plus adapté. La préférence d'implantation ira naturellement vers la position plafonnier de l'unité intérieure qui offre tout à la fois discrétion et meilleure diffusion de la puissance frigorifique (non stratification). Par ordre de priorité décroissante, les critères à observer sont donc : - Présence d'un faux plafond : - Discrétion. - Surface au sol sauvegardée. - Rayonnage pouvant évoluer. La refonte lourde du local à traiter (avec création d'un faux plafond) est préférable dans le sens où les éventuels passages de gaines pourront être réalisés avant le montage de l'habillage du faux plafond. La présence d'un tel équipement autorise l'installation de climatiseurs cassettes plafonnières encastrées ou d appareils avec réseau de gaines, qu'ils soient dissimulés dans le faux plafond on situés en local technique. Cette solution est évidemment celle qui offre le plus de souplesse pour la mise en place de la climatisation, en particulier dans les locaux tertiaires. On veillera à laisser libre l'accès pour la maintenance et l'entretien. - Surface de plafond utilisable : Dans le cas de split système, une solution recherchée de l'unité intérieure est au plafond. C'est en effet, la solution qui permet d'avoir la plus grande portée du jet d'air (attention aux poutres) tout en offrant un confort d'été optimal (soufflage d'air frais en haut de la pièce). Mais ceci n'est parfois pas possible pour des raisons de décoration par exemple (rosaces, tentures...). Page 10 sur 12

11 - Place au mur disponible = Surface au sol sauvegardée : Dans le même ordre d'idée, un split mural nécessite un certain espace pas forcément disponible dans les locaux de type petit commerce où toute la surface exploitable est utilisée pour des rayonnages. Une attention particulière sera apportée au soufflage par rapport aux occupants. - Place au sol disponible : C'est la dernière solution possible pour installer une unité qui ne peut se trouver ni dans un faux plafond, ni plafonnier ni au mur. C'est, au moins en tertiaire, le cas d'implantation que l'on cherchera à éviter autant que faire se peut. - Utilisation du local : Les différents éléments constituant un climatiseur ont été sélectionnés pour une utilisation bien définie correspondant le plus souvent à la climatisation de confort, donc aux limites définies par la norme NFE ISO 5151 type A soit: En froid Minimum Maximum Température extérieure 19 C 43 C Température ambiante 19 C 32 C Pour certaines applications, il est nécessaire de posséder une plage de fonctionnement plus large. Il convient de s'assurer que l'appareil sélectionné puisse admettre ces nouvelles conditions. En aucun cas, ne faire fonctionner ou modifier un appareil en dehors des limites du constructeur. Basse température ambiante (inférieure à 19 C) : Nécessaire pour la conservation des aliments, cave, salles de préparation de boucher, traiteur, pâtissier. Il convient d'utiliser un climatiseur dont l'évaporateur aura été sélectionné pour fonctionner jusqu'à 10 C sans risque de prise en glace. Basse température extérieure (inférieure à 19 C) Fonctionnement toutes saisons : Nécessaire pour climatiser des salles à fort apport interne et demandant donc un taux de brassage plus important (salle informatique, salle réunion, salle de machines, commerce avec une forte densité d'éclairage, etc ) en intersaison ou hiver. Il convient d'utiliser un climatiseur équipé (en standard ou en option) d'un système de fonctionnement toutes saisons qui assure le maintien de la pression de condensation et évite le risque de prise en glace de l'évaporateur. Page 11 sur 12

12 Guide de choix pour puissances inférieures à 4,5kW Guide de choix pour puissances supérieures à 4,5kW Page 12 sur 12

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