MODELISATION D UNE UNITE COMPACTE POUR LE CHAUFFAGE ET LE REFROIDISSEMENT DES MAISONS PASSIVES

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1 DÉPARTEMENT ÉNERGIE SANTÉ ENVIRONNEMENT Division Energie Pôle Performance Energétique des bâtiments SEPTEMBRE 07 MODELISATION D UNE UNITE COMPACTE POUR LE CHAUFFAGE ET LE REFROIDISSEMENT DES MAISONS PASSIVES Marie Boyer Tuteurs CSTB : Fadi Chlela et Emmanuel Fleury Tuteur INSA : Alexis Coppalle Dates du stage : 28 mai septembre 2007

2 2/97 Remerciements Je remercie tout d abord Ahmad Husaunndee, chef du pôle «Performance Energétique des Bâtiments» au moment de mon arrivée, pour m avoir accueillie au sein du CSTB. Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à Fadi Chlela et Emmanuel Fleury, mes tuteurs de stage, pour leur compétence, leur disponibilité, et la confiance qu ils m ont accordée. Merci à Fadi Chlela pour m avoir si bien guidée et aidée tout en me laissant une grande autonomie. Merci à Emmanuel Fleury pour sa connaissance de l installation sur laquelle a porté mon stage, pour ses conseils avisés et pour ses compétences en allemand. Je remercie également Alexis Coppalle, mon tuteur INSA, pour l intérêt qu il a porté à mon stage. Mes remerciements vont aussi à toutes les personnes de la division énergie, qui m ont accueillie chaleureusement. Je n oublie pas l ensemble des stagiaires que j ai côtoyés dont la gentillesse et la bonne humeur quotidienne ont rendu ce stage encore plus agréable.

3 3/97 Sommaire INTRODUCTION...4 PRESENTATION DU CSTB CONTEXTE ET OUTILS NOTIONS GENERALES Maisons à faible consommation d énergie et maisons passives Ventilation Unités Compactes (UC) L UNITE COMPACTE VITOTRES Présentation Schémas synthétiques Description du fonctionnement général Principes de fonctionnement Caractéristiques des principaux composants Ordres de grandeur OUTILS DE SIMULATION MATLAB Simulink Simbad MODELISATION INTRODUCTION UNITE COMPACTE VITOTRES PAC (pompe à chaleur) Récupérateur de chaleur et ventilateurs Circuit d air du puits canadien Mélange des airs (en amont de la PAC, circuit d air) Batterie air/tyfocor Mélange du tyfocor (au niveau de la vanne 3 voies) Pompe du circuit de tyfocor Chauffage électrique Répartition des débits de tyfocor (en aval du chauffage électrique) Ballon d ECS CIRCUIT SOLAIRE Pompe à l entrée du circuit solaire : répartition des débits Capteurs solaires REGULATION Présentation générale de la régulation utilisée Diagrammes synthétiques CALCULS DE CONSOMMATIONS ET PUISSANCES Consommations Puissance fournie à l air et à l eau VISUALISATION ET ENREGISTREMENT DES RESULTATS BATIMENT : MAISON DE TYPE MOZART CIRCUIT AERAULIQUE RESULTATS DEFINITION DES MAISONS PASSIVES UTILISEES Nécessité de connaître le besoin en chauffage d une maison Utilisation d un modèle sans UC Détermination des caractéristiques des maisons passives selon la ville SIMULATIONS : UC EN INTERACTION AVEC UNE MAISON PASSIVE Résultats et comparaisons Comparaisons des résultats avec la référence Explication des résultats obtenus...44 CONCLUSION...48 BIBLIOGRAPHIE...49 ANNEXES...50

4 4/97 Introduction Le secteur du bâtiment représente une part très importante de la consommation d énergie dans notre société : celle-ci était de 47% en l an 2000 en France (dont la moitié due au chauffage), contre 28% pour l industrie et l agriculture et 25% pour le transport. Bien que la consommation moyenne d un bâtiment soit passée de 372 kwh/m².an en 1973 à 245 kwh/m².an en 2003, l augmentation du nombre de logements a entraîné malgré tout une progression de 24% de la consommation totale entre 1973 et 2004 (source : rapport CSTB juin 2006). Dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique, améliorer l efficacité énergétique des bâtiments est donc primordial. Ainsi, en Allemagne et en Suisse principalement se sont développées des maisons à faible consommation d énergie, des maisons passives (dont la consommation totale énergie primaire est limitée à 120 kwh/m².an) ou encore des maisons à énergie positive (qui produisent plus d énergie qu elles n en consomment). Ces faibles consommations permettent l utilisation de techniques de chauffage spécifiques. Tout particulièrement, des installations appelées «unités compactes» (ou «systèmes compacts») sont parfaitement adaptées pour des maisons passives. Ces unités combinent trois actions : la ventilation du bâtiment, le chauffage de celui-ci par air chaud, et la production d eau chaude sanitaire. Le CSTB a fait l acquisition en janvier 2007 de l unité compacte «Vitotres 343» proposée par l entreprise Viessmann (Allemagne) dans le but d analyser son fonctionnement, d évaluer ses performances et d étudier si elle pourrait s adapter aux réglementations françaises. Mon stage s est inscrit dans le cadre de cette étude, avec pour objectif la modélisation du fonctionnement de l unité et son comportement dans un bâtiment passif. Les modélisations ont été faites dans l environnement MATLAB / Simulink et à l aide de la bibliothèque de modèles SIMBAD développée par le CSTB. Une étude approfondie des caractéristiques de l unité compacte a été nécessaire au préalable. Ce rapport constitue un outil de travail et a été rédigé dans cette optique. Dans la première partie, les notions de base ainsi qu une description détaillée de l unité compacte et des outils de simulation sont présentées. La deuxième partie s attache à expliquer la façon dont les différents modèles ont été réalisés. Enfin, en dernière partie, les résultats des simulations sont présentés et analysés.

5 5/97 Présentation du CSTB Présentation générale du CSTB Le CSTB, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, a été créé en Etablissement public à caractère industriel et commercial (EPIC), placé sous la tutelle du ministère du logement, Direction Générale de l Urbanisme, de l Habitat et de la Construction, le CSTB exerce son activité en toute indépendance. En tant qu organisme de recherche, le CSTB est doté : - d un comité consultatif chargé d orienter ses programmes de recherche, composé de personnalités issues des milieux professionnels du bâtiment, - d un conseil scientifique chargé d évaluer ses compétences scientifiques et d élargir ses relations avec les laboratoires extérieurs. Le CSTB est aujourd hui un établissement à la pointe de l innovation dans le domaine de la construction. Il apporte son concours aux industriels, entrepreneurs, bureaux d'étude, architectes et maîtres d'ouvrage et assiste les pouvoirs publics pour la réglementation technique et la qualité de la construction. Le CSTB réalise 26% de son chiffre d affaire en Recherche et Développement sur fonds publics, 28% en consultance scientifique et technique, 38% en évaluation et certification et 8% en diffusion du savoir. Riche d un effectif global de 751 personnes, le CSTB est réparti sur cinq sites : Marne-la-Vallée, Paris, Grenoble, Nantes et Sophia-Antipolis (cf. annexe 1) Avec l objectif d améliorer le bien-être et la sécurité au sein des bâtiments, la mission du CSTB se compose de quatre aspects complémentaires : - la recherche appliquée Le CSTB conduit des recherches sur un large éventail de disciplines et technologies s appliquant à tous les domaines de la construction, y compris l environnement urbain, la santé, les sciences de la communication, de l économie et du social. - la consultance de haut niveau et l expertise L objectif est de résoudre les questions d intérêt général les plus diverses, telles que la sécurité incendie dans les tunnels routiers, les problèmes de légionellose ou encore la réhabilitation de l habitat social. - l évaluation, les essais et la certification Ceci est l activité historique du CSTB. Sont concernés des produits, des logiciels, des ouvrages, mais également des acteurs. Il s agit par exemple d évaluer les risques, les produits et procédés de construction innovants, d effectuer des essais de matériaux et composants, des essais acoustiques, thermiques, mécaniques, des tests de résistance au feu Les certifications délivrées peuvent être les certifications CSTBat, NF ou encore HQE pour les bâtiments tertiaires. - la diffusion du savoir Impliqué dans de nombreux programmes de recherche nationaux et européens, le CSTB est un leader dans le développement des nouvelles technologies de l information et de la communication appliquées au secteur de la construction. Il propose à l ensemble des professionnels du bâtiment une gamme complète de services et produits d information. Le CSTB compte quatre filiales : ACOUSTB dédié aux études d environnement acoustique, CEQUAMI en charge de la certification NF Maison Individuelle, Aérodynamique Eiffel pour l aérodynamique appliquée et l aéraulique industrielle, et Certivéa pour la certification des acteurs et des ouvrages de construction. Le CSTB comprend huit départements : - Energie Santé Environnement - Sécurité, Structures et Feu - Economie et Sciences Humaines - Acoustique et Eclairage - Climatologie, Aérodynamique, Pollution, Epuration - Enveloppe et Revêtement - Hydraulique et Equipements sanitaires - Technologies de l information et diffusion du savoir

6 6/97 Le département Energie Santé Environnement A travers le département ESE, le CSTB assiste les pouvoirs publics dans la mise en place des politiques d'évaluation des risques sanitaires et environnementaux, de maîtrise de l'énergie et de lutte contre l'effet de serre. Il apporte également son soutien dans la mise en place des réglementations nationales et de la normalisation européenne. Il accompagne en parallèle les professionnels dans leur démarche environnementale (études et assistance technique). Les recherches et études effectuées au sein de ce département portent sur des sujets tels que l évaluation des risques pour la santé liés au bâtiment, l évaluation de la qualité environnementale des bâtiments ou produits de construction, la maitrise de l énergie, Les acteurs institutionnels représentent 80% des clients du département (ministères, ADEME, Communauté Européenne). Les maîtres d ouvrage, les collectivités territoriales, les producteurs d énergie, les industriels représentent 20% de l activité. Le département ESE, composé de près de 50 ingénieurs et cadres, 19 techniciens, 7 secrétaires et 12 post-doctorats ou thésards, développe ses compétences dans trois domaines : l énergie, la santé et l environnement, qui forment chacun une «division». Un organigramme présente la structure du département en annexe 2. Le département est implanté sur trois sites (Marne-la-Vallée, Grenoble et Sophia Antipolis). La division Energie La division «énergie» intervient dans quatre domaines principaux : - la maîtrise de l énergie - le génie climatique et les automatismes - la réhabilitation et l exploitation de l existant - les énergies renouvelables Elle évalue les produits innovants du génie climatique : plafonds rayonnants, planchers chauffants, systèmes de ventilation, chauffe-eau solaires, unités compactes Des outils d aide à la conception, à la décision et à l évaluation sont développés. Nous pouvons citer par exemple le logiciel SIMAB Building and HVAC Toolbox, boite à outil de génie climatique développée dans l environnement MATLAB/Simulink, également SIREN 95, méthode de calcul du comportement aéraulique des bâtiments et de l exposition des occupants aux polluants, ou encore SOLO, logiciel permettant le calcul des performances énergétiques des chauffe-eau solaires. La division Energie est structurée en trois pôles : - pôle Performance Energétique des Bâtiments, - pôle Automatisme et Gestion de l Energie, - pôle Energies Renouvelables J ai pour ma part effectué mon stage au sein du département Energie Santé Environnement, division Energie, pôle Performance Energétique des Bâtiments.

7 7/97 1. Contexte et outils 1.1 Notions générales Maisons à faible consommation d énergie et maisons passives Dans les dernières années, des progrès majeurs ont été faits pour réduire la demande en chauffage des bâtiments. Avant l existence de réglementations thermiques, les consommations en chauffage et eau chaud sanitaire (ECS) dépassaient les 200 kwh/m².an (énergie finale). Grâce aux réglementations mises en œuvre, voici les consommations approximatives des logements individuels les respectant (source : rapport CSTB juin 2006) : réglementation de 1988 : 155 kwh/m².an réglementation de 2000 : 130 kwh/m².an réglementation de 2005 : 110 à 120 kwh/m².an Les maisons dites «à faible consommation énergétique» ont un besoin en chauffage inférieur à 70 kwh/m².an. Les maisons passives, quant à elles, ont une demande en chauffage inférieure à 15 kwh/m².an, avec une puissance maximale de chauffage inférieure à 10 W/m² et une consommation totale d énergie primaire de la maison inférieure à 120 kwh/m².an. Ces faibles consommations rendent le chauffage aéraulique (avec de l air neuf) envisageable. Les principes des maisons passives sont les suivants (source : rapport CSTB avril 2006) : - isolation thermique renforcée, fenêtres de grande qualité (de préférence orientées vers le sud) (coefficient de transfert de chaleur U inférieur à 0.15 W/(m².K) pour l enveloppe du bâtiment et à 0.80 W/(m².K) pour les fenêtres), - suppression des ponts thermiques, - excellente étanchéité à l air (perméabilité à l air inférieure à 0.6 vol/h pour une différence de 50 bars entre le bâtiment et l extérieur), - ventilation double flux avec récupération de chaleur (cf ), - captation optimale, mais passive, de l énergie solaire et des calories du sol, - limitation des consommations d énergie des appareils ménagers. Le système de ventilation d une maison passive doit avoir les caractéristiques suivantes (source : «technical guide» p 4) : - l efficacité du récupérateur de chaleur doit être supérieure à 75%, - la récupération de chaleur et le chauffage de soutien pour l air ventilé doivent être à l abri du gel, - la température de l air ventilé doit être inférieure à 52 C, - le niveau sonore de l équipement de ventilation doit être inférieur à 35 db (A), - la consommation du système de ventilation doit être inférieure à 0,45 W/(m 3.h), - le taux de fuite de l équipement interne et externe doit être inférieur 3%, - les débits doivent être équilibrés Ventilation Le but de la ventilation au sein d un bâtiment est d évacuer l air vicié en le renouvelant par de l air neuf. Contrairement à la ventilation naturelle, la VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée) est un dispositif motorisé d évacuation ou d insufflation d air frais ; il existe deux principaux types de VMC VMC simple flux Il s agit du système le plus simple, en général utilisé dans l habitat individuel. Les entrées d air sont placées dans les pièces à vivre (salon, chambres ) tandis que les bouches d extraction se trouvent au niveau des pièces humides. Seule l extraction de l air est motorisée. L air est ainsi aspiré depuis les pièces sèches vers les pièces humides avant d être extrait. Il faut prendre garde à ce que l air puisse circuler même portes fermées VMC double flux Le principe de la VMC double flux est de préchauffer l air neuf introduit dans le logement en récupérant la chaleur de l air vicié. L ensemble du système comprend donc :

8 8/97 - un échangeur de récupération entre l air neuf et l air extrait/vicié (en général à courants croisés à plaques), dont l efficacité est importante (autour de 80%), - un ventilateur d extraction et un ventilateur de soufflage, - des filtres à air. La figure 1 schématise ce système de ventilation. La ventilation d air neuf se fait dans les pièces à vivre, tandis que l extraction d air vicié se fait dans les pièces où de la vapeur et des odeurs sont créées, telles que cuisine, salle de bain, VC Le déplacement d air entre les pièces, sous les portes, assure la ventilation de l ensemble du bâtiment. Figure 1 : VMC double flux Unités Compactes (UC) Les unités compactes (ou systèmes compacts) sont destinées aux maisons individuelles à faible consommation d énergie et aux maisons passives. Elles ont trois fonctions principales : - renouveler l air du bâtiment à l aide d une ventilation avec récupération de chaleur, - chauffer les locaux en utilisant l air neuf comme vecteur de chauffage, - préparer l ECS. Une UC comprend en général une pompe à chaleur (PAC) (air extrait / eau), un système de ventilation double flux avec récupérateur de chaleur (échangeur air extrait / air neuf) et un ballon d ECS. Peuvent se raccorder un puits canadien (cf. annexe 3) et des panneaux solaires. Un exemple de fonctionnement d UC est présenté en annexe 4. Le tableau suivant récapitule les forces, faiblesse, opportunités et menaces de ces UC en France. Forces Faiblesses - compacité (libère de la place avec la suppression - prix élevé des radiateurs) - nécessite un métier nouveau pour - faible puissance et faible consommation l installation et la maintenance - pas de recyclage de l air : le bâtiment est chauffé par - nécessite la régulation de manière fine à la le chauffage de l air neuf fois du confort thermique et de la qualité de l air - produit rapide à mettre en œuvre car système intégré intérieur - alimentation électrique peu émettrice de CO2 en - les utilisateurs doivent être bien informés et France formés à la gestion du système (ouverture des - produit fiable (certification allemande) fenêtres et lenteur de la mise en régime - retours d expériences étrangères (Allemagne, notamment) et accoutumés à un chauffage Suisse, Autriche ) aéraulique - nécessité d adapter le produit à la réglementation française Opportunités Menaces - opportunité d un nouveau marché de niche pour une - forte concurrence de systèmes double flux clientèle aisée, informée et motivée avec ECS solaire et convecteurs électriques ou - accompagne le développement des bâtiments basse des éléments séparés moins chers du système consommation (pompe, double flux ) - exigences croissantes de la réglementation - risque de développement lent du marché des thermique bâtiments à très basse consommation - produit complexe et de haute technologie contribuant - développement difficile en l absence d aide à augmenter les compétences dans le bâtiment financière - favorise la diminution du nombre de corps d état - marché encore immature avec forte - possibilité de raccordement à une PAC réversible concurrence entre producteurs pour le rafraichissement l été et à une production - résistance possible des chauffagistes photovoltaïque Tableau 1 : Systèmes compacts : forces, faiblesses, opportunités, menaces source : rapport CSTB juin 2006

9 9/ L unité compacte Vitotres 343 Dans cette partie nous présentons une synthèse de la bibliographie de l Unité Compacte (UC) Vitotres 343 de Viessmann. Les informations proviennent des documents suivants : «notice», «mode d emploi», «datasheet» et «technical guide». Il est à noter que cette synthèse a été faite dans l optique de la modélisation de l UC, et n est donc pas exhaustive (par exemple, les informations concernant la mise en route de l UC ne sont pas reprises ici). Les données sont celles dont nous disposons, il est important de noter que certains éléments nous manquent encore à ce jour. Les annexes 5, 6, 7, 8 sont associées à cette partie Présentation L UC Vitotres 343 est définie comme étant une «pompe à chaleur à air vicié avec accumulateur solaire». Il s agit d une solution pour maisons passives, car elle est conçue pour une demande en chauffage d environ 70 kwh/m²/an (donc utilisable également pour des maisons à faible consommation d énergie). Le but de cette unité est de produire de la chaleur de manière confortable, économique et écologique Schémas synthétiques Les figures 2 et 3 synthétisent le fonctionnement de l UC dans l environnement d un bâtiment, ainsi que son fonctionnement interne. Le tableau présenté en annexe 9 récapitule les acronymes utilisés dans ces schémas. La figure en annexe 10 représente l UC ouverte avec les différents composants visibles. Chambre ZU (air de ventilation) VL Panneaux solaires AB (air vicié, extrait) Salle de bain WW (eau chaude) FO (air rejeté à l ext.) (Circuit solaire) RL AU (air ext. neuf) ZU (air de ventilation) AB (air vicié, extrait) Salle à manger / salon Cuisine Vitotres 343 AW (air neuf pour PAC) Puits canadien Figure 2 : Fonctionnement de l UC dans l environnement d un bâtiment Capteurs solaires Récup cupérateur de chaleur air Batterie air/tyfocor Fluide frigorifique tyfocor PAC Ballon d ECS Figure 3 : Fonctionnement interne de l UC simplifié (ci-dessus) et plus précis (page suivante)

10 10/97 (air neuf ext) AU (air neuf pour PAC) AW (air rejeté à l ext) FO air Filtre F7 air extérieur Filtre G4 air Puits canadien air PAC (mode chauffage) évapo R134a (Vanne de trop plein) Vanne 3 voies air By-pass pour l été air air air Banc de ventilation air air air Récupérateur de chaleur (échangeur contre courant) T Vanne 3 voies 1 2 T R134a Compresseur Détendeur Condenseur Chauffage électrique T T T T Radiateur / chauffage plancher Vase d expansion T HR (Circuit de HV chauffage auxiliaire) T Vanne de non-retour Optionnels T Panneaux solaires VL (Circuit solaire) T T RL Vase d expansion à diaphragme Filtre G4 air (eau chaude) WW eau Ballon d ECS (Eau Chaude Sanitaire) KW (eau froide) air Capteur de température dans le séjour AB (air vicié, extrait) ZU (air de ventilation) (Chauffe-eau si besoin) eau Pompe de circulation d ECS Vanne de non-retour eau T : tyfocor

11 11/ Description du fonctionnement général Circuit de ventilation / chauffage L air neuf (AU), après avoir traversé un filtre externe (de type F7), entre dans le récupérateur de chaleur, échangeur contre-courant permettant de récupérer une partie de l énergie de l air vicié. L air neuf, ainsi préchauffé, voit encore sa température augmenter au niveau de la batterie air/tyfocor (échangeur). Il est ensuite ventilé dans le bâtiment (ZU). L été, l air ne passe pas dans le récupérateur de chaleur (by-pass prévu) ; d autre part, au niveau de la batterie air/tyfocor, l air n est plus chauffé mais refroidi (nous verrons ensuite que ceci est possible grâce à la réversibilité de la PAC) Circuit de l air extrait L air vicié (AB) est extrait du bâtiment et, après avoir traversé un filtre interne (type G4), cède tout d abord une partie de sa chaleur à l air neuf au niveau du récupérateur de chaleur. Son énergie résiduelle est ensuite cédée à l évaporateur de la PAC. L air vicié est finalement rejeté à l extérieur (FO). Afin d assurer un débit minimum au niveau de l évaporateur de la PAC et d augmenter la puissance fournie par la PAC, de l air neuf, préalablement filtré (filtre type G4) et réchauffé dans un puits canadien (utilisation non obligatoire mais recommandée), est mélangé à l air vicié à l entrée de l évaporateur Pompe à chaleur (PAC) Grâce à l énergie récupérée au niveau de l évaporateur, la PAC fournit de la chaleur au niveau du condenseur. Celle-ci, récupérée par le circuit fermé de tyfocor, permet : - de réchauffer l air neuf au niveau de la batterie air/tyfocor - de participer au chauffage de l ECS La PAC, réversible, permet d assurer en été un refroidissement de l air neuf (le condenseur devient évaporateur) Circuit interne Le circuit fermé de l unité compacte, dans lequel circule du tyfocor G-LS (eau glycolée, cf. annexe 6), comprend un chauffage électrique d appoint qui permet de soutenir l apport de chaleur de la PAC. En effet, le tyfocor, après être passé par le condenseur de la PAC et par le chauffage électrique d appoint, passe ensuite : - en priorité dans l échangeur situé dans le ballon d ECS, où le fluide réchauffe alors l ECS ; - dans la batterie air/tyfocor, où il cède sa chaleur à l air neuf Circuit solaire (facultatif) Un circuit solaire peut également être relié au circuit décrit ci-dessus. Il comprend en particulier : un vase d expansion à diaphragme (qui absorbe les changements de volume liés aux changements de température ; ici, il s agit d un vase fermé : gaz (azote) / diaphragme / fluide), des panneaux solaire (3 ou 5 m² selon le modèle) ainsi qu un capteur de température en sortie. Le fluide est réchauffé au niveau des panneaux solaires et participe au chauffage de l ECS Circuit de chauffage auxiliaire (facultatif) Un circuit de chauffage auxiliaire peut également être mis en place : du tyfocor circule dans un radiateur ou au niveau du plancher. Il s agit seulement d un appoint, qui peut être utilisé pour 2 raisons : - confort (exemple : dans la salle de bain) ; - en tant que chauffage dans le cas où le chauffage par air chaud ne suffirait pas (il ne faudrait pas trop augmenter la température de l air de ventilation au risque de faire chuter l humidité du bâtiment) Régulation L ensemble de la régulation se fait à l aide d un «menu CD70» auquel l utilisateur a accès. Il permet de réguler la ventilation, la PAC (chauffage/refroidissement), le système de chauffage solaire ainsi que le chauffage de l ECS. Il répond aux fluctuations de température extérieure.

12 12/ Principes de fonctionnement Chauffage par air chaud L air neuf, avant d être ventilé dans le bâtiment, est donc préchauffé: - au niveau du récupérateur de chaleur, - au niveau de la batterie air/tyfocor. La température maximale de ventilation est de 52 C. Lors du refroidissement, la température minimale de ventilation est de 18 C Refroidissement Deux moyens sont utilisés pour le refroidissement de l air du bâtiment l été : - refroidissement passif : utilisation du by-pass au niveau du récupérateur de chaleur (lorsque la température de l air neuf est inférieure à celle de l air vicié) ; - refroidissement actif : utilisation de la réversibilité de la PAC ; la puissance de refroidissement est alors transmise au niveau de la batterie air/tyfocor ECS L ECS est chauffée grâce au tyfocor circulant dans l échangeur présent dans le ballon. Le tyfocor peut luimême être chauffé de plusieurs façons : par la PAC, par le chauffage électrique (soutien en cas de forte demande), ou encore par les capteurs solaires. Sans appoint de chauffage électrique, la température de l ECS peut atteindre au maximum 50 C. Avec appoint, elle peut atteindre 65 C au plus. Lorsqu une forte demande d ECS est anticipée, il est possible d ajouter, lors de l installation de l UC, un chauffage supplémentaire sur le circuit d ECS Caractéristiques des principaux composants Récupérateur de chaleur Le récupérateur de chaleur (échangeur à contre-courant) a un rendement élevé, supérieur à 80% et pouvant aller jusqu à 86%. Le graphique en annexe 11 présente les courbes du rendement de l échangeur en fonction du débit d air. Cet échangeur étant susceptible de givrer, il est nécessaire de prévoir le dégivrage (consommation : 150 W) Batterie air/tyfocor La batterie air/tyfocor est un échangeur de chaleur, a priori a courants croisés. Son rendement n est pas connu. Il se peut que par endroits cet élément soit appelé «banc de ventilation» («ventilation bank» en anglais) Ventilateurs Les ventilateurs peuvent fournir un débit d air compris entre 70 et 250 m 3 /h. Ils sont à courant continu, ce qui permet des économies d énergie. Les graphiques en annexe 12 représentent la pression apportée par le ventilateur en fonction du débit, pour l air de ventilation et pour l air extrait, ainsi que la façon dont il est possible de déterminer la consommation des ventilateurs Filtre (air extérieur) La perte de pression due au filtre à air (air extérieur) pour un débit de 250 m 3 /h est de 40 Pa. Le graphique en annexe 13 représente la perte de pression en fonction du débit d air.

13 13/ Puits canadien Le puits canadien a pour rôle de réchauffer l air extérieur avant que celui-ci ne soit mélangé avec l air vicié et ne cède sa chaleur au niveau de l évaporateur de la PAC. Il est recommandé de dimensionner le puits canadien pour un débit de 150 m 3 /h. La chute de pression maximale admise à travers celui-ci est de 50 Pa. Les tuyaux doivent être installés approximativement 0.2 m en dessous de la limite de gel, soit à m de profondeur. L entrée d air doit quant à elle se situer au minimum à 1.2 m au-dessus du niveau du sol. Des indications complémentaires se trouvent à la page 14 du «technical guide» PAC La PAC fournit une puissance nominale, en mode chauffage, de 1.5 kw. La puissance absorbée maximale est de 0.7 kw. En mode refroidissement, sa puissance maximale est de 1 kw. Le fluide frigorigène utilisé est du R134a (masse totale : 0.9 kg). Dans le circuit de la PAC, la température maximale est de 65 C, tandis que la limite basse est de -15 C. Les informations regroupées en annexe 14 présentent des valeurs de puissance et de COP pour différents débits et températures Chauffage électrique Le chauffage électrique est un chauffage d appoint : il peut fournir une puissance de 2, 4, ou 6 kw, qui permet de soutenir l apport de la PAC lorsque celui-ci est trop faible. La température maximale en sortie de ce chauffage est de 65 C (ou 70 C selon la source) Pompe du circuit de tyfocor Ses caractéristiques ne sont pas connues Ballon d ECS Le ballon d ECS comprend 3 capteurs de température situés en haut, au milieu et en bas du ballon. Sa capacité est de 250 litres. La pression maximale permise dans le ballon est de 10 bars Circuit et pompe solaires Pour atteindre le débit requis, il est nécessaire de calculer la perte de pression dans les conduites. Le débit fourni est de l ordre de 10 à 500 l/h (cf. annexe ). L annexe 15 présente l évolution de la hauteur résiduelle en fonction du débit. Pour les calculs concernant le vase d expansion, des données sont apportées à la page 15 du «technical guide» Circuit de chauffage auxiliaire La température maximale dans le circuit de chauffage auxiliaire est de 65 C. Lorsqu il est utilisé par plancher chauffant, la température du circuit est en général de 45 C (60 C maximum) ; lorsqu il est utilisé par radiateur, la température est généralement de 55 C (70 C maximum). A débit minimal (700 l/h), la perte de pression dans le circuit est de 175 mbar. Le circuit est par ailleurs protégé par une vanne de sécurité afin que la pression ne dépasse pas les 4 bars. Il est important de noter que, lorsque le circuit de chauffage auxiliaire fonctionne, il n y a pas simultanément de chauffage par air chaud.

14 14/ Ordres de grandeur Le facteur de performance global de l UC, lorsque cette dernière est utilisée en mode «chauffage», est supérieur à 4. Cela signifie que la puissance fournie est au moins 4 fois plus importante que celle consommée. La pression dans l installation doit être d au minimum 1,7 bar. Elle ne devra pas dépasser les 3.5 bars dans le circuit de chauffage et le circuit solaire. La puissance consommée par l UC est au maximum de 7 kw (avec appoint électrique) Des exemples d ordres de grandeurs trouvés dans la bibliographie sont présentés en annexe Outils de simulation MATLAB MATLAB, raccourci de «Matrix Laboratory», est un logiciel de calcul numérique produit par MathWorks, optimisé pour le traitement des matrices. MATLAB est beaucoup plus concis que les «vieux» langages (C, C++, Fortran ) et est considéré comme un langage de programmation particulièrement adapté aux problèmes scientifiques. MATLAB est ce que l on appelle un «interpréteur» : les instructions sont interprétées et exécutées ligne par ligne. Le logiciel peut fonctionner de deux façons : - mode interactif : MATLAB exécute les instructions au fur et à mesure qu elles sont données par l utilisateur - mode exécutif : MATLAB exécute ligne par ligne un fichier M-file (extension.m) (programmation en langage MATLAB) La figure suivante (figure 4) est une copie de l interface de MATLAB. Figure 4 : interface de MATLAB Simulink Simulink, logiciel de modélisation, est l extension graphique de MATLAB. Elle permet de concevoir, simuler et analyser des systèmes dynamiques, et représente les fonctions mathématiques et les systèmes sous forme de diagrammes en blocs. Simulink présente une librairie découpée en plusieurs catégories (figure 5) ; voici celles que nous avons le plus utilisées : - les systèmes continus (ex : intégration d un signal) - les opérations de logique (ex : égal, différent de, supérieur à) - les opérations mathématiques (ex : addition, multiplication, gain) - les opérations sur les signaux (ex : goto/from, sélecteur d une composante d un vecteur, concaténation de composantes pour former un vecteur) - les «puits» (affichage) (ex : graphique) - les sources (ex : constante, échelon)

15 15/97 Figure 5 : librairie de Simulink Comme nous l avons dit, la modélisation dans Simulink se fait à l aide de blocs, et eux-mêmes peuvent comprendre d autres blocs. La structure est donc en plusieurs couches ou niveaux. Prenons un exemple de base afin de faciliter la compréhension. Figure 6 : bloc «chauffage électrique» (1 er niveau) Le bloc de la figure ci-dessus (figure 6), «chauffage électrique», a deux entrées et une sortie. A l intérieur de ce bloc, des éléments de la libraire sont disposés et reliés afin de calculer ce qui est souhaité, et qui apparaissent lorsque l on ouvre ce bloc (en double-cliquant ou clic droit : «look under mask») (figure 7) : Figure 7 : composition du bloc «chauffage électrique» (2 ème niveau) Les deux entrées du bloc «chauffage électrique» sont représentées ici par les numéros 1 et 2 (en orange) ; la sortie est le numéro 1 (vert). A ce niveau, nous pouvons voir qu il y a un nouveau bloc, «Calcul_température_sortie» qui, à partir de 3 entrées (Com_chauff_elec, T_tyfocor_in et Qm_tyfocor) ressort une sortie «T_tyfocor_out». Voici ce qui apparaît lorsque l on ouvre ce nouveau bloc :

16 16/97 Figure 8 : composition du bloc «Calcul_température_sortie» (3 ème niveau) A ce niveau, les opérations nécessaires au calcul de la sortie «T_tyfocor_out» sont effectuées ; il s agit du dernier niveau, il n y a pas d autre bloc que l on puisse ouvrir. Les entrées sont numérotées de 1 à 3, la sortie est unique (n 1) Simbad SIMBAD est une boite à outil dans l environnement MATLAB/Simulink. Elle a été développée par le CSTB pour les applications de génie climatique. Cet outil fournit les modèles de bâtiment et les composants des systèmes de chauffage/climatisation pour réaliser des simulations dynamiques des installations de génie climatique. La figure 9 représente l interface de Simbad. Figure 9 : interface de Simbad En ouvrant par exemple «Weather & loads», voici une partie de ce qui s affiche (figure 10). Il suffit alors de prendre l un des blocs proposé correspondant à ce que l on recherche, à le copier dans le modèle Simulink et à entrer les paramètres souhaités. Figure 10 : exemple de modèles proposés dans le bloc «Weather & loads»

17 17/97 2. Modélisation 2.1 Introduction L ensemble de nos modélisations ont été faites dans Simulink, avec l utilisation de certains modèles de Simbad. Dans les modèles construits, nous avons tâché de respecter un code de couleurs afin de faciliter la lecture : - Orange : entrée de bloc (in) : - vert : sortie de bloc (out) : - turquoise : goto/from - rose : visualisation de résultats - gris avec ombre : bloc De nombreuses indications se trouvent aux différents niveaux des modèles. Elles permettent de comprendre plus facilement la logique utilisée dans les blocs. Nous avons défini comme objectif final pour le travail de modélisation de construire un fichier comprenant la modélisation de l UC en interaction avec une maison passive (appelé «simulation.mdl»), et ainsi pouvoir effectuer les simulations voulues (en l occurrence 3 simulations sur un an pour des lieux géographiques différents). Pour cela, il a tout d abord fallu modéliser l UC elle-même. Nous avons fait les hypothèses suivantes : - pas de chauffage auxiliaire, - pas de puits canadien, - la pression et l humidité apparaissent mais ne sont pas calculées et n interviennent pas dans nos calculs, - les filtres ne sont pas modélisés (interviendraient au niveau de la pression), - les dégivrages ne sont pas pris en compte, - les capacités calorifiques sont supposées constantes (ne varient pas dans les domaines de température considérés) Nous avons ensuite relié le modèle de cette UC à un modèle de bâtiment et les paramètres nécessaires ont été régulés à l aide de commandes. Les consommations et puissances fournies ont été calculées et affichées, et l évolution des paramètres intéressants enregistrée et affichée sur forme de graphiques. La figure 11 est une copie écran du premier niveau du modèle complet. Nous utilisons un «fichier météo» issu de la RT 2005 qui fournit, selon le jour de l année et l heure, les paramètres météo tels que la température sèche extérieure, l humidité, la vitesse du vent, l éclairement, etc. Il est possible de choisir le lieu de la simulation parmi plusieurs villes de France (Trappes, Nancy, Macon, Rennes ), ce qui permet de mettre en évidence les différences de comportement selon la météo locale. Le fichier météo que nous avons utilisé est conforme à la RT Certaines données nécessaires à une modélisation réaliste nous ont fait défaut, nous avons été contraints de faire certaines hypothèses. Nous avons toutefois réussi à prendre contact avec une personne de Viessmann en Allemagne, Mme Schütt, à qui nous avons demandé certaines précisions. Les échanges de mail sont regroupés en annexe 17.

18 18/97 Figure 11 : premier niveau du modèle complet On remarque que le modèle est composé de 7 blocs ; la façon dont ils ont été construits est expliquée dans les parties qui suivent : - bloc «Unité compacte Vitotres 343» : cf bloc «capteurs solaires» : cf bloc «commandes» : cf bloc «Consommation puissances» : cf bloc «Visualisation» : cf bloc «Maison Mozart» : cf bloc «circuit aéraulique» : cf Unité compacte Vitotres 343 L UC est modélisée dans le bloc «unité compacte Vitotres 343». Afin de faciliter la compréhension, les différents blocs à l intérieur ont été disposés de façon à ressembler au mieux au schéma figure 3 (cf. figure 12). Figure 12 : modélisation de l UC Dans cette partie sont détaillés les principaux éléments modélisés.

19 19/ PAC (pompe à chaleur) Entrées Sorties Fct_mode T_setup air_in tyf_in COP Pa Pc ou Pf air_out tyf_out Bloc «RHPU1» Mode de fonctionnement de la PAC (0 : arrêt, 1 : chauffage ou 2 : refroidissement) Température de consigne pour le tyfocor en sortie de PAC (différente selon le mode chauffage ou refroidissement) Air en entrée de PAC (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Tyfocor en entrée de PAC (vecteur : température, pression, débit massique) COP de la PAC Puissance absorbée par la PAC Puissance fournie par la PAC, Pc si le mode est chauffage, Pf si le mode est refroidissement Air en sortie de PAC (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Tyfocor en sortie de PAC (vecteur : température, pression, débit massique) Figure 13 : niveau supérieur du bloc «RHPU1» Le modèle de pompe à chaleur a été repris à partir du fichier «ReversibleHeatPump.mdl» (cf. annexe 18 pour des commentaires concernant la structure de ce modèle). Le modèle permet de calculer (grâce à des interpolations faites à partir des points de fonctionnement entrés en paramètres) la puissance absorbée, celle fournie au tyfocor, le COP, ainsi que les caractéristiques du tyfocor et de l air en sortie de PAC. La PAC est réversible et peut donc fonctionner selon 2 modes. La température du tyfocor en sortie de l échangeur est un paramètre que l on a choisi égal à 58 C pour le mode chauffage et à 17 C pour le mode refroidissement. - mode chauffage : le condenseur est l échangeur fluide frigorifique tyfocor, l évaporateur est l échangeur fluide frigorifique air ; - mode refroidissement : le condenseur est l échangeur fluide frigorifique air, l évaporateur est l échangeur fluide frigorifique tyfocor. Perspectives Les valeurs entrées en paramètres de la PAC (points de fonctionnement) ne sont pas les «vraies» valeurs de l UC Vitotres 343, nous avons laissé celles du fichier d où le modèle a été copié car ces informations nous manquent. Si ces valeurs peuvent être connues, il serait alors intéressant de les insérer dans le modèle et d obtenir des résultats plus proches de la réalité Récupérateur de chaleur et ventilateurs Entrées Bloc «ventilateurs (air extrait + air extérieur) + récupérateur de chaleur» T_air_zones_extrait Vecteur à 2 composantes : température de l air extrait de la cuisine et température de l air extrait de la salle de bain - VC air_ext Air en provenance de l extérieur (air neuf) (vecteur : température, humidité, pression, débit massique)

20 20/97 Sorties air_ext_out air_extrait_out Air neuf en sortie des ventilateurs et du récupérateur de chaleur (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Air extrait en sortie des ventilateurs et du récupérateur de chaleur (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Figure 14 : niveau supérieur du bloc «ventilateurs (air extrait + air extérieur) + récupérateur de chaleur» Ce modèle prend en compte le récupérateur de chaleur ainsi que les 2 ventilateurs associés, un pour l air extérieur neuf et un pour l air intérieur extrait. Hypothèses de travail (car les valeurs ne sont pas connues) : - efficacité de l échangeur de chaleur = 80 % - débit nominal des ventilateurs : 0.05 kg/s - puissance nominale des ventilateurs : 100 W - ventilateur fonctionnant à débit nul, débit minimal ou débit maximal. On prend pour les débits les valeurs suivantes : Qmin = kg/s (environ 140 m 3 /h) et Qmax = kg/s (environ 230 m 3 /h), qui correspondent aux débits nécessaires pour ventiler la maison type que l on utilisera par la suite ( ρ pris égal à 1.2 kg/m 3 ) air - l échauffement de l air dû au ventilateur n est pris en compte L air extérieur et l air vicié passent chacun par un bloc, représentatif du ventilateur, où un débit est alors imposé et où la consommation des ventilateurs est calculée (le calcul de cette consommation a été repris du fichier «mozart_conv_simplifie_df_larochelle.mdl» et est expliqué dans le fichier «Ventilation double flux.doc», partie 4.1). Ensuite, les deux circuits d air sont en entrée du bloc «récupérateur de chaleur» où, en fonction de la commande du by-pass (cf. annexe 19), les caractéristiques de l air neuf et de l air vicié sont calculées (cf. figure 14). S il y a by-pass, les températures ne varient pas entre l entrée et la sortie du récupérateur de chaleur. S il y a effectivement récupération de chaleur, nous utilisons la définition de l efficacité pour le calcul des températures : Avec eff m& ( ) ccc ( Tce T ) m& f c f T fs T cs fe = = 100 ( mc & ) min( Tce T fe ) ( mc & ) min( Tce T fe ) l indice «e» indiquant l entrée de l échangeur, l indice «s» indiquant la sortie de l échangeur, l indice «c» indiquant le fluide chaud l indice «f» indiquant le fluide froid S agissant dans notre cas du même fluide au même débit (débit de ventilation = débit d extraction), cette formule se simplifie ainsi : eff ( T ( ) ce T ) T fs T cs fe = = 100 ( Tce T fe ) ( Tce T fe ) Le fluide chaud est dans notre cas l air extrait, vicié ; le fluide froid est l air extérieur, neuf. Ainsi, les formules deviennent : T air _ extrait _ sortie T air _ ext _ sortie = T = T air _ extrait _ entrée air _ ext _ entrée eff 100 eff + T 100 ( T T ) air _ extrait _ entrée air _ ext _ entrée ( T ) air _ extrait _ entrée air _ ext _ entrée

21 21/ Circuit d air du puits canadien Entrée Sortie Air_ext air_ext_ventilo Bloc «ventilateur extérieur» Air neuf provenant de l extérieur (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Air neuf en sortie du ventilateur (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Figure 15 : niveau supérieur du bloc «ventilateur extérieur» Ce bloc s intéresse à modéliser l action du ventilateur. Nous faisons l hypothèse que le ventilateur est le même que ceux utilisés pour l air de ventilation et l air extrait. Les mêmes paramètres sont donc rentrés, les caractéristiques de l air en sortie ainsi que la consommation sont calculées de la même manière. Comme il a été indiqué précédemment, le puits canadien et les filtres n ont pas été modélisés Mélange des airs (en amont de la PAC, circuit d air) Entrées Sortie air_ext air_extrait moyenne_air Bloc «mélange des airs» Air en provenance du circuit du puits canadien (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Air en provenance du récupérateur de chaleur (air vicié) (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Air après mélange (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Figure 16 : niveau supérieur du bloc «mélange des airs»

22 22/97 Il s agit d un mélange entre deux fluides de même nature mais de caractéristiques (température, humidité, pression, débit) différentes. On calcule : - la température en sortie, en faisant une moyenne des températures en entrée pondérées par les débits respectifs : T sortie m& 1T = m & - le débit en sortie (simple somme des débits entrants). La pression et l humidité en sortie ne sont pas spécialement calculées car non utilisées dans l ensemble du modèle m& 2T m & Batterie air/tyfocor Entrées Sorties Air_in Tyf_in Air_out Tyf_out Bloc «batterie air / tyfocor» Air neuf, destiné à la ventilation, en provenance du récupérateur de chaleur (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Tyfocor en provenance du chauffage électrique (vecteur : température, pression, débit massique) Air neuf, destiné à la ventilation, en sortie de l échangeur (vecteur : température, humidité, pression, débit massique) Tyfocor en sortie de l échangeur (vecteur : température, pression, débit massique) Figure 17 : niveau supérieur du bloc «batterie air / tyfocor» Ce modèle permet de calculer les caractéristiques des fluides en sortie de l échangeur, en supposant l efficacité de ce dernier connue. Pour ce faire, nous utilisons la définition de l efficacité pour le calcul des températures (comme pour le récupérateur de chaleur, cf ). Hypothèse de travail (car la valeur n est pas connue) : efficacité de l échangeur de chaleur = 90 % (bon échange de chaleur entre l air et le tyfocor). Dans le cas du réchauffage de l air, le fluide chaud est le tyfocor et le fluide froid l air ; dans le cas du refroidissement de l air, le fluide chaud est l air et le fluide froid le tyfocor. Dans les 2 cas, on a : T T tyf _ out air _ out = T = T tyf _ in air _ in Eff ( mc & ) ( mc & ) Eff ( mc & ) ( mc & ) min tyf min air ( T ( T air _ in tyf _ in T T tyf _ in air _ in ) )

23 23/ Mélange du tyfocor (au niveau de la vanne 3 voies) Bloc «mélange du tyfocor : vanne 3 voies» Tyfocor en provenance de la batterie air / tyfocor, circuit 1 (vecteur : Tyf_1 température, pression, débit massique) Entrées Tyfocor en provenance de l échangeur du ballon d ECS, circuit 2 Tyf_2 (vecteur : température, pression, débit massique) Sortie moyenne_tyf Tyfocor après mélange (vecteur : température, pression, débit massique) Ce bloc est construit de la même façon que pour le mélange des airs (cf ). La vanne 3 voies est décomposée en 2 vannes (pour les 2 entrées de tyfocor). La «vanne n 1» commande l entrée «Tyf_1», tandis que la «vanne n 2» commande l entrée «Tyf_2». Le circuit n 1 est celui relié à la vanne n 1 et le circuit n 2 celui relié à la vanne n Pompe du circuit de tyfocor Bloc «Pompe circuit tyfocor» Entrée Tyf_in Tyfocor en entrée de pompe, en provenance de la vanne 3 voies (vecteur : température, pression, débit massique) Sortie Tyf_out Tyfocor en sortie de pompe (vecteur : température, pression, débit massique) Cette pompe permet d imposer un débit dans l ensemble du circuit fermé de tyfocor. N ayant pas connaissance de la courbe caractéristique de la pompe qui aurait pu nous permettre de déterminer le point de fonctionnement du circuit, nous partons de l hypothèse que le débit est de 100l/h, soit kg/s ( = 1033 kg/m 3 à 20 C) (même débit que pour le circuit solaire, cf. annexe ). Selon la ρ tyf commande associée, la pompe peut soit fonctionner à ce débit, soit être éteinte. Figure 18 : niveau supérieur du bloc «Pompe circuit tyfocor» Perspectives Utiliser un débit déterminé en fonction des pertes de charge et des caractéristiques de la pompe Chauffage électrique Entrée Sortie Tyfocor_in Tyfocor_out Bloc «chauffage électrique» Tyfocor en entrée du chauffage électrique, en provenance de l échangeur de la PAC (vecteur : température, pression, débit massique) Tyfocor en sortie de chauffage électrique (vecteur : température, pression, débit massique) Figure 19 : niveau supérieur du bloc «chauffage électrique»

24 24/97 Selon la commande appliquée (qui vaut 0, 1, 2 ou 3), le chauffage électrique peut apporter une puissance de 0, 2, 4 ou 6 kw. En utilisant figure 20) : Q = m& Cptyf T, il est possible de calculer la température en sortie (cf. T sortie = T entrée Q + m& Cp tyf Figure 20 : calcul de la température de sortie (niveau 4) Remarque : dans le cas où le débit de tyfocor est nul (pompe arrêtée), la température en sortie va tendre vers l infini. Ce cas n apparaît normalement jamais, puisque le chauffage électrique est nécessairement éteint si le débit est nul. Cependant, celui-ci peut tout de même arriver à cause du pas de temps. Un cas à part est donc créé, qui impose T = T (faux en soi mais sans impact). sortie entrée La consommation du chauffage électrique sera directement prise égale à la puissance fournie au tyfocor (0, 2, 4 ou 6 kw) (hypothèse de rendement idéal) Répartition des débits de tyfocor (en aval du chauffage électrique) Entrée Sorties Tyf_in Tyf_out1 Tyf_out2 Bloc «répartition des débits» Tyfocor en provenance du chauffage électrique, avant d être divisé entre les 2 circuits possibles (vecteur : température, pression, débit massique) Tyfocor partant dans le circuit 1 vers la batterie air/tyfocor (vecteur : température, pression, débit massique) Tyfocor partant dans le circuit 2 vers l échangeur du ballon d ECS (vecteur : température, pression, débit massique) Figure 21 : niveau supérieur du bloc «répartition des débits» Cette répartition des débits entre le circuit 1 et le circuit 2 est fonction des commandes de la vanne 3 voies. En effet, si la vanne n 1 de la vanne 3 voies est fermée, le débit dans le circuit 1 sera nul. De même, si la vanne n 2 de la vanne 3 voies est fermée, le débit dans le circuit 2 sera nul. Si au contraire la vanne 3 voies est entièrement ouverte, alors le débit de tyfocor se partagera entre les 2 circuits. Cette répartition est fonction des pertes de charge dans chacun des circuits. Cependant, dans notre cas, nous

25 25/97 ne connaissons pas ces pertes de charge et ne pouvons donc pas déterminer la répartition réelle des débits. Ainsi, nous partons de l hypothèse simplifiée que le débit est alors divisé de manière égale entre le circuit 1 et le circuit 2. Voici la logique du modèle mis en place : la vanne n 1 est-elle fermée? - oui ; la vanne n 2 est-elle fermée? o oui : les 2 vannes sont donc fermées, les débits 1 et 2 sont nuls o non : la vanne n 1 est donc fermée et la vanne n 2 ouverte : le débit 1 est donc nul et le débit 2 égal au débit en entrée (tout le tyfocor va dans le circuit 2) - non ; la vanne n 2 est-elle fermée? o oui : la vanne n 1 est donc ouverte et la vanne n 2 fermée : le débit 1 est donc égal au débit en entrée et le débit 2 est nul o non : les 2 vannes sont donc ouvertes, le débit en entrée est partagé entre les 2 circuits Ballon d ECS Entrée Sortie Win_exch Wout_exch Bloc «ballon ECS + circuit» Tyfocor en entrée de l échangeur du ballon d ECS (vecteur : température, pression, débit massique) Tyfocor en sortie de l échangeur du ballon d ECS (vecteur : température, pression, débit massique) Figure 22 : niveau supérieur du bloc «ballon ECS + circuit» Le modèle de ballon d ECS a été repris à partir du fichier «mozart_bs_simplifié_df_larochelle» (water storage tank). L annexe 20 apporte des éléments sur la façon dont il est construit. Dans notre cas, le ballon a été «découpé» en 3 niveaux, indice 1 en bas du ballon et indice 3 en haut. Le vecteur «T_tank», calculé dans ce modèle, a donc 3 composantes ; nous appellerons T_tank_haut la valeur de la température en haut du ballon (T_tank (3)) et T_tank_bas la valeur de la température en bas du ballon (T_tank (1)). Il est important de noter que les paramètres suivants ne nous sont pas connus, ce qui fausse nécessairement les résultats : - surface de l échangeur - diamètre intérieur du tube de l échangeur - épaisseur du tube - débit nominal dans l échangeur - chute de pression au débit nominal - géométrie du réservoir (diamètre, épaisseur) (volume = 250 litres) Les valeurs utilisées dans le modèle n ont pas été modifiées lors de la copie de celui-ci (à part le volume du réservoir). Perspectives Il serait nécessaire, si les données sont connues, de les mettre à jour dans ce modèle afin d obtenir des résultats plus proches de la réalité.

26 26/ Circuit solaire Le circuit solaire est modélisé dans le bloc «capteurs solaires» (figure 11), dont le niveau supérieur est représenté en figure 23. Figure 23 : niveau supérieur du bloc «capteurs solaires» Pompe à l entrée du circuit solaire : répartition des débits Entrée Sortie Bloc «pompe circuit solaire répartition des débits» Tyf_out_tank Tyfocor en provenance de l échangeur du ballon d ECS (vecteur : température, pression, débit massique) Tyf_out Tyfocor en direction de la vanne n 2 de la vanne 3 voies (vecteur : température, pression, débit massique) Tyf_in_solaire Tyfocor en sortie de la pompe solaire, en direction des capteurs solaires (vecteur : température, pression, débit massique) Figure 24 : niveau supérieur du bloc «pompe circuit solaire répartition des débits» Selon la valeur de la commande, la pompe du circuit solaire est soit à l arrêt, soit en fonctionnement, imposant alors un débit de kg/s (nous n avons pas accès à la courbe caractéristique de la pompe qui nous permettrait de déterminer le point de fonctionnement ; nous avons donc pris comme valeur de débit celle standard trouvée dans la bibliographie, c est-à-dire 100 l/h, avec une masse volumique du tyfocor égale à g/cm 3, cf. annexe ). Dans le cas où la pompe fonctionne, le débit dans le circuit solaire sera celui imposé par la pompe ; le débit dans le circuit 2, en direction de la vanne 3 voies sera alors égal au débit en amont de la pompe solaire moins le débit dans le circuit solaire. Une saturation a été ajoutée afin d éviter que le débit dans le circuit 2 ne soit négatif (possible à cause des pas de temps). Perspectives Utiliser un débit déterminé en fonction des pertes de charge et des caractéristiques de la pompe.

27 27/ Capteurs solaires Entrée Sortie Weather W_in W_out Bloc «Solar collector» Caractéristiques météo (vecteur : day of the year, time of the day, air dry bulb temperature, direct normal radiation et diffuse horizontal radiation) Tyfocor en entrée des capteurs solaires, en provenance de la pompe solaire (vecteur : température, pression, débit massique) Tyfocor en sortie des capteurs solaires, en direction de l échangeur du ballon d ECS (vecteur : température, pression, débit massique) Ce modèle de capteurs solaires a été repris du fichier «mozart_bc_simplifie_df_larochelle.mdl», modèle «solar collector». Il est important de noter que les informations suivantes ne nous sont pas connues : - Surface des capteurs - «zero loss efficiency» - «collector heat loss coefficient (W/m²K)» - «temperature dependance of heat transfer coefficient (W/m²K²)» - contenance des capteurs en tyfocor (kg) - masse des capteurs (kg) - débit nominal à travers les capteurs - chute de pression au débit nominal Les valeurs utilisées n ont pas été modifiées lors de la copie de celui-ci. Perspectives Si les valeurs indiquées ci-dessus sont connues, elles seraient à rentrer dans le modèle. Les paramètres concernant les panneaux solaires (orientation, inclinaison des capteurs, latitude et albédo de la région de construction) pourront être rentrés en fonction de ce qui est choisi. 2.4 Régulation Cette unité compacte nécessite bien sûr une régulation adaptée, afin d optimiser la consommation et de réguler deux principaux paramètres : la température de l ECS et la température du bâtiment. La ventilation de ce dernier est également un paramètre à réguler, mais la modélisation de sa régulation a pris une place beaucoup moins importante dans notre travail puisqu elle a principalement été reprise d un modèle existant. Dans les paragraphes ci-dessous, nous allons expliquer globalement comment ces paramètres sont régulés. Nous ne rentrerons pas dans les détails ni ferons état des possibles exceptions, mais essayerons plutôt de donner un aperçu de cette régulation. Suivent ensuite des diagrammes qui synthétisent la manière dont les commandes attribuées aux différents composants sont modélisées. Ces diagrammes ont vraiment pour but de clarifier la logique utilisée pour la modélisation. Enfin, l annexe 21 présente les informations relatives à la régulation telles qu elles ont été trouvées dans bibliographie, avec à chaque fois l explication de ce qui a été créé dans le modèle pour parvenir à ce qui est indiqué Présentation générale de la régulation utilisée Régulation de la température de l ECS La température de consigne fixée pour l ECS est 50 C. Celle-ci peut être chauffée : - à l aide du circuit solaire, - à l aide de la PAC, via le circuit de tyfocor, la vanne n 2 étant ouverte, - à l aide du chauffage électrique, via le circuit de tyfocor, la vanne n 2 étant ouverte. Le chauffage de l ECS se fait en priorité grâce au circuit solaire. Ainsi, lorsque la température en sortie des capteurs solaires est suffisamment élevée par rapport à celle dans le ballon, la pompe du circuit solaire est mise en route (indépendamment de la différence de température entre celle effective dans le ballon et la consigne) ; la vanne n 2 est de plus fermée, afin d utiliser au maximum l énergie apportée par le soleil et éviter ainsi l utilisation de la PAC ou du chauffage électrique.

28 28/97 Lorsque la pompe solaire ne fonctionne pas, la mise en route de la PAC est déclenchée lorsque la température dans le ballon atteint une valeur trop basse par rapport à la consigne. La PAC ne s arrêtera qu une fois la température de consigne à nouveau atteinte. Si, lorsque la PAC est en marche, la température dans le ballon continue à trop descendre, le chauffage électrique sera alors allumé. Il est important de noter que la régulation de la température de l ECS est totalement indépendante de la période de l année. Un système de commande d ouverture/fermeture de vannes (au niveau de la vanne 3 voies) est de plus mis en œuvre dans le cadre de cette régulation Régulation de la température du bâtiment La température de consigne de chauffage a été choisie égale à 19 C. Si la température dans le bâtiment (le capteur utilisé se situe dans le séjour) descend en-dessous de 19 C, la PAC se mettra en route pour que le tyfocor réchauffe l air au niveau de la batterie air / tyfocor. Nous pouvons noter ici que ce réchauffement est soumis à plusieurs contraintes, en particulier le fait que la température de l ECS ne doit pas être trop basse, sinon toute la chaleur fournie par la PAC lui sera consacrée («priorité à l ECS»). Même si la PAC fonctionne dans le but de réchauffer l air de ventilation, il est possible que la température continue à diminuer, trop fortement ou pendant trop longtemps : le chauffage électrique va alors être allumé pour soutenir la PAC. Une période de chauffage est définie, entre fin octobre et fin mars. En dehors de cette période, ni la PAC ni le chauffage électrique ne seront mis en route dans le but de réchauffer l air de ventilation, même si la température dans le bâtiment diminue en-dessous de la valeur de consigne. La pompe du circuit de tyfocor s arrêtera dans le cas où la vanne 3 voies est entièrement fermée ou dans le cas où ni la PAC ni le chauffage électrique ne fonctionnent (aucun intérêt à ce que le tyfocor circule). Si la température dans le bâtiment vient à augmenter (22 C par exemple), le by-pass peut-être activé au niveau du récupérateur de chaleur, si l air extérieur est plus frais que l air extrait bien sûr. Si la température dépasse globalement les 25 C, la PAC va alors être mise en route en mode refroidissement (comme pour le cas du chauffage, ceci est possible si l ECS ne nécessite pas d être réchauffée). Le tyfocor ainsi refroidi va lui-même refroidir l air neuf au niveau de la batterie air / tyfocor. Dans ce cas, le débit des ventilateurs d air neuf et d air extrait seront mis au maximum, afin d augmenter la puissance de refroidissement. Remarque : outre ce cas particulier où les débits des ventilateurs sont mis au maximum, les ventilateurs sont régulés en fonction du type de bâtiment et de l heure de la journée Diagrammes synthétiques Les diagrammes qui suivent permettent de comprendre comment chacune des commandes utilisées dans le modèle de l UC est déterminée. Il suffit à chaque fois de commencer par répondre à la question du cadre bleu, suivre les questions suivantes et finalement arriver à l un des cadres rouges, où l on connait alors la valeur que prendra la commande à laquelle on s intéresse. Les cadres au fond gris indiquent qu ils font référence à une autre commande, déterminée dans un autre diagramme. Remarque : les antis court cycles ne sont pas pris en compte dans ces diagrammes. Le tableau en annexe 19 récapitule les valeurs que peuvent prendre les commandes utilisées et les conséquences associées. Sous Simulink, l ensemble des commandes est regroupé dans un bloc appelé «commandes». La copie écran des paramètres de ce bloc ainsi que celle de son niveau supérieur, qui fait apparaître 9 blocs de commande pour les 9 commandes utilisées dans l ensemble du modèle, sont présentées en annexe 22.

29 29/ Commande de la pompe solaire La T re en haut du ballon d ECS est-elle inférieure à la T re limite admissible? Condition Oui La T re en sortie des capteurs solaires estelle inférieure à la T re limite admissible? Condition Oui La T re en sortie des capteurs se situe-telle comme indiqué en rouge? Non Non Non Oui com_pompe_solaire = 0 com_pompe_solaire = 1 Régulation Commande de la pompe de tyfocor Vannes fermées => arrêt pompe Non La vanne n 1 est-elle fermée? (com_vanne1 = 0?) Oui La vanne n 2 est-elle fermée? (com_vanne2 = 0?) Non Oui com_pompe_tyf = 0 PAC et chauffage électrique arrêtés => arrêt pompe Le chauffage électrique est-il arrêté? (com_chauff_elec = 0?) Oui La PAC est-elle arrêtée? (com_pac = 0?) Non Oui Non com_pompe_tyf = Commande du ventilateur, circuit du puits canadien Nous avons choisi de faire fonctionner ce ventilateur à un débit constant (com_ventilo_ext = 1) Commande des ventilateurs sur air neuf et air extrait La PAC fonctionne-t-elle en mode refroidissement? (com_pac = 2?) Non Oui com_ventilo = 2 com_ventilo = commande classique (1 ou 2), déterminée selon le type de bâtiment et l heure de la journée (repris d un modèle existant)

30 30/ Commande de chauffage et de non chauffage Le numéro du jour est-il inférieur à 90 (avant fin mars)? Non Le numéro du jour est-il supérieur à 300 (après fin octobre)? Oui Oui Non com_hiver = 1 com_hiver = Commande de la vanne 3 voies du circuit de tyfocor Les deux cases en orange sont des commandes «intermédiaires». Elles sont utilisées pour déterminer la commande de la vanne n 2. Oui La T re en haut du ballon d ECS est-elle supérieure à la température limite? Permission d ouverture de la vanne n 1 Oui Cas particulier Non La pompe solaire fonctionne-t-elle? (com_pompe_solaire = 1?) Cas particulier Non La T re en haut du ballon d ECS se situe-t-elle comme indiqué en rouge? Oui Non permission Non Vanne a la permission d être ouverte (cf. vanne n 2) Demande d ouverture de la vanne n 1 Cas refroidissement La T re dans le séjour est-elle inférieure à la T re de consigne du bâtiment? (hystérésis = 0.3) Cas chauffage Non La T re dans le séjour est-elle supérieure à la T re de consigne du bâtiment + 6? (hystérésis = 0.3) Régulation Oui La T re demandée en sortie de PAC (17 C si mode refroidissement) estelle inférieure à la T re de l air arrivant dans la batterie air/tyfocor? Oui Non Non Oui com_vanne1 = 0 com_vanne1_air_frais = 0 com_vanne1 = 1 Vérification com_vanne1_air_frais = 1

31 31/97 Oui La T re en haut du ballon d ECS est-elle supérieure à la température limite? Cas particulier Non Oui La pompe solaire fonctionne-t-elle? (com_pompe_solaire = 1?) Cas particulier Non La vanne 1 demande-t-elle à être ouverte en raison d un besoin d air frais? (com_vanne1_air_frais = 1?) Oui Définit façon dont vanne n 2 régulée Non Cas classique La T re en haut du ballon d ECS se situe-t-elle comme indiqué en rouge? Non Oui Cas refroidissement d air La T re en haut du ballon d ECS se situe-t-elle comme indiqué en rouge? Non Oui com_vanne2 = 0 com_vanne2 = Commande du by-pass Cas refroidissement Non La T re de l air extérieur est-elle inférieure à la T re de l air extrait 0.5? Condition Oui La T re dans le séjour est-elle supérieure à la T re de consigne du bâtiment + 3? (hystérésis = 0.3) Régulation Non Oui com_bypass = 1 Cas chauffage La T re de l air extérieur est-elle supérieure à la T re de l air extrait + 0.5? Condition Oui La T re dans le séjour est-elle inférieure à la T re de consigne du bâtiment? (hystérésis = 0.3) Non Non Oui com_bypass = 0 Régulation

32 32/ Commande du chauffage électrique La T re de départ du chauffage électrique est-elle inférieure à 65 C? Non Condition Oui Non Est-on en période de chauffage? (com_hiver = 1?) Chauffage électrique pour l air chaud Non Condition Condition Oui La vanne n 1 est-elle ouverte? (com_vanne1 = 1?) Oui L intégrale suivante (hachurée en rouge) est-elle supérieure à K.s? Oui com_chauff_elec = N Régulation Non Chauffage électrique pour ECS La vanne n 2 est-elle ouverte? (com_vanne2 = 1?) Condition Régulation Oui La T re en haut du ballon d ECS se situe-t-elle comme indiqué en rouge? Non Oui Non com_chauff_elec = 0

33 33/ Commande de la pompe à chaleur Cas chauffage Cas besoin d air frais Cas besoin chauffage ECS Cas besoin chauffage par air chaud Non Non La vanne n 1 est-elle ouverte? (com_vanne1 = 1?) Condition Oui La T re dans le séjour est-elle supérieure à la T re de consigne du bâtiment + 6? (hystérésis = 0.3) Régulation Non La vanne n 2 est-elle ouverte? (com_vanne2 = 1?) Condition La T re en haut du ballon d ECS se situeelle comme indiqué en rouge? Régulation Oui Non Est-on en période de chauffage? (com_hiver = 1?) Condition Oui La vanne n 1 est-elle ouverte? (com_vanne1 = 1?) Condition Oui La T re dans le séjour est-elle inférieure à la T re de consigne du bâtiment? (hystérésis = 0.3) Régulation Oui Oui Non Non Oui Non Vérification T re min et max Vérification T re min et max La T re de départ de la PAC est-elle supérieure à 16 C? Condition La T re de départ de la PAC est-elle supérieure à 16 C? Condition Oui La T re de départ de la PAC est-elle inférieure à 60 C? Condition Oui La T re de départ de la PAC est-elle inférieure à 60 C? Condition Oui com_pac = 2 Oui com_pac = 1 Non Non Non Non com_pac = Calculs de consommations et puissances Le calcul des différentes consommations ainsi que de la puissance fournie à l eau sanitaire et à l air est nécessaire afin de pouvoir évaluer le «coût» de l unité compacte et comparer les résultats à ce qui est attendu (cf. partie 3) Consommations Les éléments suivants consomment de l énergie : - les ventilateurs (3), - les pompes (2), - le chauffage électrique, - la PAC. Nous n avons cependant pas pu calculer la consommation des 2 pompes (du circuit de tyfocor et du circuit solaire) par manque d informations. Les consommations sont exprimées en kwh. Elles sont regroupées dans le bloc «consommation puissances» puis «consommation».

34 34/ Consommation des ventilateurs Pour chacun des trois ventilateurs utilisés, la consommation (en W) est calculée au niveau des modèles de ventilateurs, dans le bloc de l UC. Nous utilisons donc directement le piquage fait à ce niveau (from «conso_ventilo_air_ext» par exemple). Afin d obtenir ces consommations en kwh, nous utilisons un bloc à l intérieur duquel la consommation en W est intégrée, ce qui donne des W.s ; afin de passer en kwh, il suffit alors de diviser par 1000 et par Ce bloc sera utilisé à chaque fois que l on voudra passer de W en kwh Consommation du chauffage électrique La consommation du chauffage électrique est aussi directement calculée au niveau du modèle de chauffage électrique dans l UC. Nous utilisons donc ce piquage (From «conso_chauff_elec») que nous convertissons en kwh. Le résultat obtenu correspond donc à la consommation générale du chauffage électrique. Nous avons souhaité décomposer cette consommation afin de connaître quelle part est dédiée au chauffage de l eau et quelle part est dédiée au chauffage de l air. Pour cela, nous utilisons les commandes du chauffage électrique, qui indiquent pour quelle raison le chauffage électrique est allumé («com_chauff_elec_air_chaud» et «com_chauff_elec_ecs») Consommation de la PAC La consommation de la PAC («Pa») est calculée directement au niveau du modèle de la PAC. Il suffit donc, ici aussi, de piquer cette valeur à cet endroit et de simplement la convertir en kwh. Le résultat obtenu correspond donc à la consommation générale de la PAC. Nous avons souhaité décomposer cette consommation afin de connaître quelle part est due à un besoin en chauffage et quelle part est due à un besoin en refroidissement. Pour cela, nous utilisons simplement la commande de la PAC («com_pac»), qui vaut 1 si celle-ci fonctionne en mode chauffage, 2 si celle-ci fonctionne en mode refroidissement. La somme de ces 2 consommations est nécessairement égale à la consommation globale. Lorsque la PAC fonctionne en mode refroidissement, cela ne peut être que pour refroidir l air. Par contre, lorsque la PAC fonctionne en mode chauffage, ceci peut avoir deux raisons : chauffage de l air de ventilation et/ou chauffage de l ECS. Cette nouvelle décomposition telle que nous l avons mise en place n est cependant pas parfaite : - nous utilisons les commandes «com_pac_air_chaud» et «com_pac_ecs» pour ces calculs de consommation, qui permettent a priori de savoir pour quelle raison la PAC est mise en route (mode chauffage) mais qui peuvent se chevaucher. Regardons de plus près les 3 cas de figure possibles pour la vanne 3 voies (cf et annexe 21) : o la température de l ECS est faible (cas A de l annexe) : com_pac_ecs sera égale à 1 et com_pac_air_chaud à 0 ; la répartition de la consommation sera faite correctement, il n y a pas de chevauchement ; o la température de l ECS est proche de la consigne (cas B de l annexe) : com_pac_ecs sera égale à 1 et com_pac_air_chaud pourra aussi être égale à 1 ; dans ce cas, la consommation sera à la fois imputée au besoin d air chaud et au besoin d ECS et sera donc comptée deux fois ; la somme des deux consommations sera par conséquent supérieure à celle générale de la PAC en mode chauffage ; o la température de l ECS est forte (cas C de l annexe) : com_pac_ecs sera égale à 0 et com_pac_air_chaud pourra être égale à 1 ; la répartition de la consommation sera faite correctement, il n y a pas de chevauchement. - l anti court cycle utilisé pour la PAC n a pas pu être pris en compte pour la répartition des consommations (les commandes utilisées ici sont calculées en amont de l anti court cycle), ce qui fausse nécessairement ces calculs. C est pourquoi la somme de la consommation de la PAC due au chauffage de l ECS et celle due au chauffage de l air n est pas égale à la consommation générale de la PAC en mode chauffage. Ceci donne cependant une idée approximative de la répartition de la consommation.

35 35/ Puissance fournie à l air et à l eau Pour calculer la puissance fournie à l eau et celle fournie à l air, le moyen le plus simple et le plus précis est d effectuer un bilan thermique : Q = m& Cp T. Nous prendrons toujours la valeur absolue de Q (elle change de signe selon le sens des transferts de chaleur) Puissance fournie à l air de ventilation (chauffage) Pour connaître la puissance fournie à l air, le bilan thermique s effectue au niveau de la batterie air / tyfocor. Puisque nous nous plaçons dans le cas du chauffage, nous avons ajouté une condition : la puissance est prise en compte uniquement lorsque la température du tyfocor en sortie est plus faible qu en entrée (l air est réchauffé). Q air _ chauffage = m& tyf Cp tyf ( Ttyf _ entrée _ batterie Ttyf _ sortie _ batterie Cette puissance peut être fournie par la PAC en mode chauffage et/ou par le chauffage électrique. Nous avons donc calculé la puissance fournie dans ces deux cas, à l aide des commandes associées. Comme nous l avons expliqué au paragraphe , les valeurs concernant l apport de la PAC sont approximatives : - en utilisant la commande «com_pac_air_chaud» comme nous le faisons, on considère que lorsque celle-ci vaut 1, alors l ensemble de la puissance fournie par la PAC est dédiée à l air, or ce n est pas le cas : une partie peut aussi être dédiée à l ECS (cas B de la vanne 3 voies, annexe 21) - l anti court cycle n est pas pris en compte Les calculs basés sur le bilan thermique (sans décomposition) sont donc plus précis, mais la décomposition proposée ici a l avantage de mettre en avant les origines de l apport de chaleur Puissance fournie à l air de ventilation (refroidissement) Ici aussi, le bilan thermique s effectue au niveau de la batterie air / tyfocor. Puisque nous nous plaçons dans le cas du refroidissement, la condition est la suivante : la puissance est prise en compte uniquement lorsque la température du tyfocor en sortie est plus importante qu en entrée (l air est refroidi). Q air _ refroidissement = m& tyf Cp tyf ( Tsortie _ batterie Tentrée _ batterie ) ) Puissance fournie à l ECS Pour connaître la puissance fournie à l ECS, le bilan thermique s effectue au niveau de l échangeur du ballon d ECS. Q ECS = m& tyf Cp tyf ( Tentrée _ échangeur _ ballon Tsortie _ échangeur _ ballon Cette puissance peut être fournie soit par les capteurs solaires, soit par la PAC (et éventuellement le chauffage électrique) (circuit 2). Nous avons donc effectué deux bilans thermiques distincts, un sur le circuit solaire et un sur le circuit 2. La somme des deux puissances calculées devrait être égale à celle totale apportée à l ECS. Il y a cependant une légère différence qui est due à l utilisation de pas de temps. ) 2.6 Visualisation et enregistrement des résultats Les résultats intéressants à être visualisés et analysés sont regroupés dans le bloc «Visualisation». Certains graphiques sont accessibles directement. D autres sont visualisables à des niveaux supérieurs : on a alors accès à «pourquoi la commande prend ces valeurs» (conditions respectées ou non, régulation impliquant telle ou telle valeur de la commande, etc.). L ensemble de ces résultats est enregistré dans un ou plusieurs fichiers.mat lorsque la simulation est lancée. Ce fichier permettra, une fois la simulation finie, que les résultats soient sauvegardés et utilisables (tracé des graphiques voulus). Le tableau en annexe 23 indique à quelles valeurs correspondent les numéros de ligne des fichiers.mat.

36 36/ Bâtiment : maison de type Mozart Entrées Sortie Zones_supply_air Zones_coupling_air Tair_zones_extrait Bloc «Maison Mozart» Air neuf de ventilation qui va être injecté dans les pièces prévues (matrice : 4 colonnes : température, humidité, pression, débit ; 4 lignes : les valeurs sont les mêmes à chaque ligne, seul le débit varie : une ligne correspond à une zone ventilée : chambre_1, chambre_2, chambre_3, séjour) Définit les débits d air entre les zones du bâtiment (vecteur à 6 composantes, qui sont les 6 débits d air entre zones) Vecteur à 2 composantes : température de l air extrait de la cuisine et température de l air extrait de la salle de bain - VC Le bâtiment que l on couple à l UC est une maison type utilisée au CSTB (modèle repris et légèrement modifié par endroits selon à ce que l on souhaite modéliser) : il s agit de la maison Mozart, dont la description est faite en annexe 24. Celle-ci est modélisée dans le bloc «Maison Mozart», avec un fichier «Mozart.txt» auquel le modèle fait appel. Le fichier «mozart.txt» permet de définir : - les orientations utilisées - les différentes parois (matériau constitutif, épaisseur, propriétés thermiques ) - les zones : nom de la zone (cuisine, chambre_1, chambre_2, chambre_3, salle_de_bains_vc, sejour, entre, grenier), volume, température de consigne de chauffage, température de consigne de climatisation (ces températures seront prises respectivement égales à 200 et -200 C si la température est régulée d une autre façon, ce qui sera le cas lorsque ce bâtiment sera relié à l UC, ou si alors l on souhaite une variation libre de la température) - les planchers - les parois (surface, zones qu elles séparent, etc.) - les fenêtres - les masques solaires - le couplage des zones d air («zones air coupling») (définit que l air passe du séjour dans l entrée, de la chambre 1 dans l entrée, de la chambre 2 dans l entrée, de la chambre 3 dans l entrée, et également de l entrée dans la cuisine et de l entrée dans la salle de bain - VC) - les zones ventilées (chambre_1, chambre_2, chambre_3, séjour) - les ponts thermiques - les températures initiales des murs et zones A partir des caractéristiques de l air neuf de ventilation par zone et des débits d air entre les zones, le modèle calcule la température de chaque zone. Il est donc possible à partir de là d avoir la température des zones où l air est extrait (il s agit de 2 de ces zones). Le modèle de zone d air est basé sur l hypothèse d une température d air homogène dans chaque zone. 2.8 Circuit aéraulique Ce modèle a été repris à partir du fichier «mozart_double_flux.mdl». Entrées Sortie Extract_air Supply_air Zones_coupling_air Zones_supply_air Bloc «circuit aéraulique» Air extrait du bâtiment (mélange de l air en provenance de la salle de bain VC et de l air provenant de la cuisine) (vecteur : température, humidité, pression, débit) Air de ventilation à destination des zones à ventiler (vecteur : température, humidité, pression, débit) Définit les débits d air entre les zones du bâtiment (vecteur à 6 composantes, qui sont les 6 débits d air entre zones) Air neuf de ventilation qui va être injecté dans les pièces prévues (matrice : 4 colonnes : température, humidité, pression, débit ; 4 lignes : les valeurs sont les mêmes à chaque ligne, seul le débit varie : une ligne correspond à une zone ventilée : chambre_1, chambre_2, chambre_3, séjour)

37 37/97 Ce bloc a pour but de modéliser la connexion entre l UC et le bâtiment. A partir de l air extrait et de l air de ventilation (sorties du bloc de l UC), ce modèle calcule les entrées nécessaires au bloc du bâtiment, en fonction des zones. Le débit de l air extrait (quatrième composante du vecteur «extract_air») est multiplié par le «copling_vector», vecteur à 6 composantes : [ ], qui correspond aux 6 couplages de zones d air (cf. 2.7 : l air passe du séjour, de la chambre 1, 2 et 3 dans l entrée, et également de l entrée dans la cuisine et dans la salle de bain - VC). Il est logique de voir que la somme des 2 dernières composantes donne 1 (l air est extrait pour 60% dans la cuisine et pour 40% dans la salle de bain VC). De même, la somme des 4 premières composantes donne 1 (tout le débit d air extrait passe par l entrée et provient du séjour et des chambres). Ainsi, on obtient un nouveau vecteur à 6 composantes, appelé «Zones_coupling_air» : chaque composante correspond au débit qui passe d une zone à une autre (fraction du débit total d air extrait). A partir du vecteur «supply-air», la matrice «zones_coupling_air» est créée : comme il est indiqué dans le tableau ci-dessus, la température, humidité et pression sont les mêmes à chaque ligne. Le débit est par contre multiplié par les composantes du vecteur «supply_vector» [ ] afin d obtenir les débits de ventilation pour chaque pièce ventilée (fraction du débit total). On remarquera que la somme de ces débits est égale à 1 et que ces fractions sont les mêmes que les fractions de débit extraites, ce qui est logique puisque les débits doivent être équilibrés.

38 38/97 3. Résultats 3.1 Définition des maisons passives utilisées Nécessité de connaître le besoin en chauffage d une maison Le but de notre travail est de modéliser le fonctionnement de l UC dans l environnement d une maison passive, c est-à-dire d un bâtiment qui requiert moins de 15 kwh/m²/an en chauffage. Cependant, la maison Mozart telle qu elle est classiquement définie au CSTB n est pas une maison passive. Il va donc être nécessaire de modifier certaines de ses caractéristiques (épaisseur des isolants ou nature des vitrages par exemple) afin de respecter la condition de maison passive. Les caractéristiques des maisons seront évidemment différentes selon la localisation géographique : un bâtiment à Nancy aura plus besoin d être isolé qu un bâtiment à Nice pour avoir un besoin en chauffage inférieur à 15 kwh/m²/an. Nous avons donc choisi de nous intéresser à trois climats différents, représentés par les villes de Nancy, La Rochelle et Nice. Tout le problème est donc de pouvoir connaître les besoins en chauffage d une maison donnée. Si nous les connaissons, il suffira alors de modifier les caractéristiques de la maison et d arriver en tâtonnant à un besoin en chauffage inférieur à 15 kwh/m²/an Utilisation d un modèle sans UC Pour cela, nous utilisons un modèle déjà construit au CSTB : «mozart_double_flux.mdl» (figure 25). Il s agit d une maison seule avec ventilation double flux. En spécifiant dans le fichier texte associé la température à laquelle un besoin en chauffage est nécessaire (limite basse) et celle à laquelle un besoin en refroidissement est demandé (limite haute), le modèle donne en sortie les puissances de chauffage et de refroidissement nécessaires pour respecter ces conditions : si la température a tendance à diminuer en-dessous de la limite basse, la puissance nécessaire pour qu elle reste à cette limite est calculée, et idem pour la limite haute. Besoin en chauffage Besoin en refroidissement Figure 25 : fichier «mozart_double_flux», avec en sortie les besoins en chauffage et refroidissement Nous avons choisi 19 C comme limite inférieure et 25 C comme limite supérieure : ces valeurs correspondent à celles utilisées dans le cadre du fonctionnement de l UC (chauffage mis en route à 19 C et refroidissement actif à 25 C). De même, l efficacité du récupérateur de chaleur a été choisie identique à celle du récupérateur de l UC (80%). Les modèles de maison et de ventilation double flux utilisés sont également construits de la même façon. Ainsi, les résultats obtenus avec le fichier «mozart_double_flux» pourront servir de référence lors des calculs du modèle avec UC ; nous pourrons vérifier si nos résultats sont cohérents. La figure 26 présente les besoins en chauffage et en refroidissement nécessaires sur un an à Nancy, La Rochelle et Nice si l on utilise la maison Mozart classique, non modifiée. Hormis pour Nice, les besoins en chauffage sont effectivement supérieurs aux 15 kwh/m²/an. On peut remarquer ce qui est tout à fait logique que les besoins en chauffage sont les plus importants à Nancy tandis que c est à Nice que les besoins en refroidissement sont les plus élevés.

39 39/97 Besoins (kwh/m²/an) Nancy La Rochelle Nice Besoins en chauffage Besoins en refroidissement Figure 26 : besoins en chauffage et en refroidissement selon le lieu pour une maison Mozart classique Remarque : les valeurs utilisées pour construire tous les histogrammes de ce rapport sont présentés en annexe Détermination des caractéristiques des maisons passives selon la ville Eléments sur lesquels il est possible de jouer pour diminuer le besoin en chauffage Comme nous l avons expliqué plus haut, nous allons jouer sur différents éléments afin que les maisons vérifient le critère de maison passive, c est-à-dire un besoin de chauffage inférieur à 15 kwh/m²/an. Les maisons passives ont en général les isolants placés à l extérieur pour, d une part améliorer l inertie du bâtiment, mais surtout diminuer les ponts thermiques. Dans les maisons passives, ces derniers sont toujours très réduits. C est ce que nous imposons à notre maison, quel que soit le lieu (cela se règle dans le fichier texte ; coefficient de transmission linéique des ponts thermiques pris égal à 0.01 W/m.K). Nous pouvons maintenant jouer sur la nature des vitrages pour diminuer le besoin en chauffage. La maison Mozart classique utilise du double vitrage clair rempli d air (DV). Nous pouvons modéliser du double vitrage avec une couche de faible émissivité rempli d argon (DV*) et également du triple vitrage avec une couche de faible émissivité rempli de krypton (TV) (voir les caractéristiques en annexe 26). Si le besoin en chauffage est toujours trop important, une dernière possibilité est d augmenter l épaisseur des isolants : isolant du mur extérieur, du plancher bas et du plancher haut Nécessité de réduire le besoin en refroidissement Comme nous le verrons par la suite, les besoins en refroidissement sont relativement élevés par rapport à ce à quoi on peut s attendre (à La Rochelle, les besoins en refroidissement sont du même ordre de grandeur que ceux en chauffage). Nous avons alors décidé de modéliser deux aspects supplémentaires : - protection solaire La modélisation d une protection solaire s effectue au niveau des coefficients des vitrages (dans le fichier texte). Ces coefficients sont au nombre de 12 : les 6 premiers correspondent à un vitrage sans protection, les 6 derniers à un vitrage avec protection. Ce sont donc ces coefficients qu il faut convenablement rentrer. L annexe 27 présente les valeurs utilisées. Il est d autre part nécessaire d ajouter un bloc (figure 27) qui contrôle la position des protections solaires (entre autres éviter qu elles se mettent en place en période de chauffage). Figure 27 : bloc nécessaire pour la prise en compte des protections solaires - ventilation nocturne Le modèle utilisé jusqu à présent considère que l ensemble de la ventilation de la maison est faite grâce au système de ventilation. Or, l été, ouvrir les fenêtres la nuit est facile, fréquent et diminue considérablement les besoins en climatisation. Nous avons donc ajouté un modèle déjà créé de ventilation nocturne, basé sur la norme PR NF EN (cf. annexe 28).

40 40/ Résultats pour Nancy Besoins (kwh/m²/an) épaisseurs normales, DV épaisseurs normales, isolants à l'ext., TV, pas de ponts th. épaisseurs +90%, isolants à l'ext., TV, pas de ponts th. épaisseurs +90%, isolants à l'ext., TV, pas de ponts th., protect solaire épaisseurs +90%, isolants à l'ext., TV, pas de ponts th., protect solaire, ventilat nocturne Besoins en chauffage Besoins en refroidissement Figure 28 : besoins en chauffage et refroidissement à Nancy selon différentes possibilités Même en mettant du triple vitrage, en plaçant les isolants à l extérieur et en annulant quasiment les ponts thermiques, la maison en question a un besoin en chauffage encore bien supérieur aux 15 kwh/m²/an (figure 28, 2 ème abscisse). Nous avons donc joué sur l épaisseur d isolant, que nous avons augmenté de 90 % : l isolant du mur extérieur passe de 10 à 18 cm, celui du plancher bas et celui du plancher haut passent de 15 à 27 cm. Nous avons ensuite pris en compte les protections solaires et la ventilation nocturne. Nous obtenons un besoin en chauffage de kwh/m²/an et en refroidissement de 0.35 kwh/m²/an (figure 28, 5 ème abscisse) Résultats pour La Rochelle 30 Besoins (kwh/m²/an) Besoins en chauffage Besoins en refroidissement 0 épaisseurs normales, DV épaisseurs normales, isolants à l'ext., DV*, pas de ponts th. épaisseurs normales, isolants à l'ext., DV*, pas de ponts th., protect solaire épaisseurs normales, isolants à l'ext., DV*, pas de ponts th., protect solaire, ventilat nocturne Figure 29 : besoins en chauffage et refroidissement à La Rochelle selon différentes possibilités Pour La Rochelle, il n est pas nécessaire d augmenter l épaisseur des isolants, un double vitrage avec argon associé à des ponts thermiques presque nuls et des isolants placés à l extérieur suffit. Nous avons de même pris en compte les protections solaires et la ventilation nocturne. Nous obtenons un besoin en chauffage de kwh/m²/an et en refroidissement de 1.16 kwh/m²/an (figure 29, 4 ème abscisse) Résultats pour Nice 35 Besoins (kwh/m²/an) Besoins en chauffage Besoins en refroidissement 0 épaisseurs normales, DV épaisseurs normales, DV, isolants à l'ext., pas de ponts th. épaisseurs normales, DV, isolants à l'ext., pas de ponts th., protect solaire épaisseurs normales, DV, isolants à l'ext., pas de ponts th., protect solaire, ventilat nocturne Figure 30 : besoins en chauffage et refroidissement à Nice selon différentes possibilités

41 41/97 Pour Nice, nous n avons bien sûr pas eu besoin d augmenter l épaisseur d isolant ni de changer le type de fenêtre. Nous pouvons remarquer que la prise en compte des protections solaires et de l aération nocturne a permis de diminuer sensiblement les besoins en refroidissement. Nous obtenons un besoin en chauffage de 3.96 kwh/m²/an et en refroidissement de kwh/m²/an (figure 29, 4 ème abscisse) Récapitulatif Nous avons gardé les réglages effectués pour chaque lieu et qui apparaissent à chaque fois en dernière abscisse des histogrammes. Le tableau ci-dessous (n 2) récapitule les caractéristiques adoptées pour que les maisons soient «passives» et les besoins en chauffage et refroidissement prévus. Pour chaque lieu, les isolants sont placés à l extérieur, les ponts thermiques sont annulés (coefficient 0.1), et il y a des protections solaires et de la ventilation nocturne. Lieu Epaisseur isolant mur extérieur Epaisseur isolant plancher bas Epaisseur isolant plancher haut Type de fenêtre Pchaud (kwh/m²/an) Nancy TV La Rochelle DV* Nice DV Tableau 2 : récapitulatif des caractéristiques adoptées Pfroid (kwh/m²/an) 3.2 Simulations : UC en interaction avec une maison passive Résultats et comparaisons Simulation Les maisons passives étant définies, nous avons effectué 3 simulations (pour les 3 lieux étudiés), chacune sur un an, de l UC dans l environnement d une maison passive («simulation.mdl» dont la construction a été expliquée dans la partie 2, avec les modèles de protection solaire et de ventilation nocturne ajoutés). Les résultats sous forme de graphiques ont été enregistrés pendant la simulation (cf. partie 2.6) ; les consommations et puissances obtenues ont été regroupées dans le tableau présenté en annexe 29. Le pas de temps utilisé est d une minute. Remarque : pour que le fichier «simulation.mdl» tourne, il faut que les fichiers «mozart.txt» (le fichier texte qui définit la maison à laquelle on s intéresse), «ini_puisage_ecs.m» (qui définit les besoins en ECS) et «launch_simulations.m» (qui initialise les variables et constantes) se trouvent dans le même dossier. Ouvrir d abord «launch_simulations.m», le lancer, puis ouvrir «simulation.mdl» et faire commencer la simulation Puissances reçues par l air et l eau (kwh/m²/an) capteurs solaires chauffage électrique PAC 5 0 Nancy La Rochelle Nice Nancy La Rochelle Nice Nancy La Rochelle Nice Puissance reçue par l'air pour le chauffage Puissance reçue par l'air pour le refroidissement Puissance reçue par l'ecs Figure 31 : puissances reçues par l air et l eau sur un an selon le lieu et selon l origine de l apport.

42 42/97 La figure 31 présente les puissances reçues par l air (chauffage ou refroidissement) et l eau sanitaire. Nous ne pouvons pas directement comparer les puissances reçues par l air entre les 3 lieux puisque les maisons ne sont pas construites de la même façon (nous comparerons ces résultats à ceux attendus avec le modèle de référence dans la partie 3.2.2). Nous pouvons cependant noter qu à Nice l air de la maison reçoit une puissance de refroidissement significative, tandis qu elle est quasiment nulle pour La Rochelle et Nancy. Ces puissances reçues par l air sont quasiment entièrement fournies par la PAC (mode chaud ou froid). Pour l ECS, les résultats sont intéressants. La puissance reçue est sensiblement la même quelque soit le lieu, mais la part que prennent les capteurs solaires est la plus importante à Nice (70%) et la plus faible à Nancy (40%). Le reste de la puissance nécessaire est quasiment entièrement fournie par la PAC Consommations du chauffage électrique et de la PAC (kwh) pour l'air frais pour l'air chaud pour l'ecs Nancy La Rochelle Nice Nancy La Rochelle Nice Consommation du chauffage électrique Consommation de la PAC Figure 32 : consommations du chauffage électrique et de la PAC sur un an selon le lieu et selon l utilisation La figure 32 s intéresse à la consommation de deux principaux organes de l UC : la PAC et le chauffage électrique. Nous remarquons que la consommation du chauffage électrique est faible devant celle de la PAC : c est en effet cela qui est recherché, le chauffage électrique est en «secours», il doit fonctionner au minimum. En ce qui concerne la consommation de la PAC, nous pouvons noter que la part dédiée au chauffage de l ECS est la plus forte à Nancy et la plus faible à Nice : ce sont en effet les capteurs solaires qui jouent une part plus importante à Nice qu à Nancy. A Nice, une part de la consommation de la PAC est dédiée au refroidissement de la maison Evolution des températures Les températures régulées à travers l utilisation de l UC sont celle du bâtiment (plus exactement du séjour) et celle du ballon d ECS. Un exemple de leur évolution (à Nice) est présenté en figure 33 (les évolutions des températures du séjour et de l ECS pour les trois villes sont présentées en annexe 30). Nous expliquerons dans la partie certains aspects de ces évolutions. On remarquera en particulier la période de l été et celle de l hiver en ce qui concerne la température dans le séjour. Figure 33 : évolution de la température du séjour et de l air extérieur (à gauche) et évolution de la température de l ECS (à droite) sur un an ; Nice

43 43/ Comparaisons des résultats avec la référence Une fois les résultats des trois simulations obtenus, il est intéressant et nécessaire de les comparer aux valeurs de «référence» que nous avons calculées précédemment (cf. partie 3.1.3). Les histogrammes des figures 34 et 35 comparent les besoins en chauffage et refroidissement obtenus lors des simulations utilisant l UC avec les besoins calculés en référence. Besoins en chauffage (kwh/m²/an) référence avec UC référence avec UC référence avec UC Nancy La Rochelle Nice Figure 34 : besoins en chauffage à Nancy, La Rochelle et Nice ; comparaisons entre la référence et la simulation avec UC Besoins en refroidissement (kwh/m²/an) référence avec UC référence avec UC référence avec UC Nancy La Rochelle Nice Figure 35 : besoins en refroidissement ; comparaisons entre la référence et la simulation avec UC Plus marqué pour les besoins en refroidissement qu en chauffage, les valeurs obtenues lors des simulations avec UC sont systématiquement plus faibles que celles de référence. Deux principales raisons peuvent expliquer ces différences Dans le modèle avec UC, la régulation proposée entraîne des écarts autour de la valeur de consigne La température dans le séjour, telle qu elle est régulée dans le modèle avec UC, est souvent supérieure à 25 C en été et inférieure à 19 C en hiver. En effet, prenons l exemple de l été : la PAC est commandée pour se mettre en route lorsque la température atteint 25 C. Ainsi, lorsque la température dépasse ces 25 C, il faut attendre un laps de temps plus ou moins long pour que la PAC arrive à faire diminuer la température en-dessous de 25 C. Pendant ce temps, la température dans le séjour est donc supérieure à la consigne (cf. figure 36). Figure 36 : mise en évidence du dépassement de 25 C pour la simulation avec UC

44 44/97 Ceci revient à dire que la régulation utilisée dans le modèle avec UC n est pas assez «serrée» autour de la valeur de consigne, et induit en conséquence une puissance reçue par l air plus faible. Afin de mettre cela en évidence, nous avons effectué deux simulations, sur 10 jours chacune : - une avec la régulation prévue : la puissance reçue par l air est de 40 kwh ; - une avec une régulation beaucoup plus forte, qui permet de beaucoup mieux suivre la température de consigne (l air soufflé est plus froid afin que l air soit refroidi plus vite, et modification des hystérésis (diminution de leur valeur)) : la puissance reçue par l air est de 70 kwh. On comprend donc pourquoi la puissance reçue par l air dans les simulations avec UC est plus faible que celle de référence. De plus, le calcul de référence de la puissance fournie à l air se base sur le fait que la température ne dépasse jamais les 25 C, ce qui est encore plus radical qu une régulation forte. Remarque : nous avons remarqué sur les graphiques que les écarts avec la référence sont plus importants pour les besoins en refroidissement qu en chauffage. En hiver, selon les pièces, la température descend parfois jusqu à 18 C, au pire 17 C (delta de 1 à 2 C par rapport à la consigne) : ceci, comme nous venons de l expliquer, fait que la puissance fournie à l air est plus faible que la référence. En été par contre, selon les pièces, la température peut aller jusqu à C (delta de 2 à 3 C) : la différence avec la référence en sera alors d autant plus accentuée Dans le modèle avec UC, la température n est régulée que dans le séjour Dans les calculs de référence, la puissance est calculée pour que la température n excède pas 25 C ni de descende en dessous de 19 C dans chacune des pièces de la maison. Dans la simulation avec l UC, ceci n est pas le cas : c est uniquement la température du séjour qui est régulée. Les températures des autres pièces ne sont pas très éloignées de celle du séjour (les pièces sont en interaction) mais sont globalement plus faibles l hiver et plus élevées l été. Cela reviendrait prenons l exemple de l été à avoir une température de consigne de 25 C dans le séjour et de 27 C par exemple dans les autres pièces. Il est donc évident dans ce cas que la puissance fournie à l air est moindre Explication des résultats obtenus Allures des valeurs des commandes sur un an Les valeurs que prennent les commandes peuvent nous renseigner sur le bon fonctionnement de l UC, globalement du moins. Les graphiques qui suivent peuvent paraître peu lisibles, mais le but est d avoir une vue d ensemble. Figure 37 : valeur de la commande de la pompe solaire sur un an - Nancy La figure 37 représente la valeur de la commande de la pompe solaire : cette dernière fonctionne lorsque la commande égale 1. On remarque qu elle se met beaucoup moins en route en période hivernale (extrémités du graphique) que pendant le reste de l année, l ensoleillement étant plus faible en hiver qu en été.

45 45/97 Figure 38 : valeur de la commande du chauffage électrique pour le chauffage par air chaud sur un an - Nancy La figure 38 s intéresse au chauffage électrique, lorsqu il fonctionne dans le but de chauffer l air de ventilation. On remarque, ce qui est tout à fait logique, que le chauffage électrique ne se met en route que pendant la période hivernale. Figure 39 : valeur de la commande du by-pass sur un an - Nancy La figure 39 représente la valeur de la commande du by-pass, by-pass qui est utilisé lorsque la commande vaut 1. Nous notons que le by-pass est uniquement utilisé pendant la période du milieu de l année, c est-à-dire où la température dans le bâtiment peut être élevée. Figure 40 : valeur de la commande de la PAC sur un an - Nice La figure 40 nous renseigne sur le fonctionnement de la PAC (celle-ci est à l arrêt lorsque la commande vaut 0, en mode chaud lorsqu elle vaut 1 et en mode froid lorsqu elle vaut 2). On remarquera en particulier le fonctionnement en mode froid de la PAC pendant la période estivale (milieu du graphique). En ce qui concerne les commandes des ventilateurs et des vannes, afficher les résultats sur un an ne nous apprendrait rien puisque les commandes varient sans cesse. Cependant, on peut remarquer qu en été, à Nice, les ventilateurs d air extrait et d air vicié ont leur commande plus souvent égale à 2 que la normale, ce qui est imposé lorsqu il y a rafraîchissement de la maison par ventilation. Remarque : lors des simulations, toutes les étapes permettant de comprendre pourquoi telle commande vaut telle valeur sont enregistrées ; il est très utile de les étudier afin de comprendre la logique (par exemple pour la vanne 3 voies) Evolution des températures régulées Soit à la lecture des résultats, soit lorsque l on fait tourner les simulations, des valeurs ou des comportements de l UC pourraient surprendre. Nous allons dans ce paragraphe prendre quelques exemples et expliquer l évolution des valeurs.

46 46/97 - Evolution de la température dans le séjour (valeurs faibles) Figure 41 : Evolution de la température de l ECS Nancy Figure 42 : Valeurs de la commande de la PAC si on ne tient compte que de l ECS Figure 43 : Evolution de la température de l air de ventilation Nancy Figure 44 : Evolution de la température du séjour Nancy

47 47/97 En prenant l exemple de Nancy, nous pouvons remarquer que la température diminue parfois jusqu en dessous de 17 C. Ceci n est pas un dysfonctionnement, mais une conséquence de la régulation adoptée. En effet, l ECS est prioritaire sur le chauffage par air chaud. Ainsi, nous pouvons remarquer sur le graphique (figure 41) que, autour de l abscisse 5 (flèche rouge), la température de l ECS passe sous la barre des 43 C : la chaleur fournie par la PAC est alors entièrement dédiée à l ECS (ECS prioritaire) (figure 42) ; l air n est alors plus chauffé (figure 43, la température de l air de ventilation est faible) ; la température dans le séjour chute donc (figure 44). - Evolution de la température dans le ballon d ECS Bien que la consigne de température dans le ballon d ECS soit fixé à 50 C, la PAC n est dédiée uniquement à son chauffage que lorsque sa température descend en-dessous de 43 C et jusqu à ce qu elle remonte au-dessus de 50 C. Ainsi, il est logique de voir que la température de l ECS a tendance à osciller entre 40 et 50 C (cf. figure 41). Sa température pourra augmenter au-dessus de 50 C soit grâce à la PAC, mais qui alors est également dédiée au chauffage par air chaud (cf , commande de la vanne n 2), soit par le circuit solaire qui, lorsque l ECS peut être chauffée grâce aux capteurs sans toutefois dépasser 60 C, fonctionne.

48 48/97 Conclusion Grâce à une étude relativement détaillée du fonctionnement de l UC Vitotres 343 et de sa régulation, nous avons été en mesure d en modéliser les différents éléments et de mettre en place les commandes nécessaires à la régulation des températures de l air du bâtiment et de l ECS. De plus, l UC a été placée dans l environnement d un bâtiment passif, dont nous avons défini les caractéristiques à Nancy, La Rochelle et Nice. Les trois principales simulations effectuées ont permis de montrer que les résultats sont cohérents. La température du bâtiment et celle de l ECS sont régulées correctement, même si des écarts avec les températures de consigne existent, ceci étant dû à la régulation adoptée. Chacun des sous-modèles avait bien entendu été vérifié séparément au préalable. Le fait d avoir simulé le comportement de l UC dans un bâtiment passif au niveau de trois villes différentes a principalement permis de comparer la part d énergie solaire utilisée pour le chauffage de l ECS. Cette dernière est plus importante à Nice (70%) qu à La Rochelle (50%) et qu à Nancy (40%). Il ne serait par contre pas judicieux de chercher à comparer les consommations en fonction de la localisation. En effet, les modèles de maisons utilisés ne sont pas les mêmes ; ils ont été déterminés afin de répondre au critère de maison passive selon la ville considérée. Par contre, la comparaison avec des résultats de «référence» a mis en évidence un point intéressant : étant donné la façon dont la régulation est faite (écart assez important possible autour des valeurs de consigne et capteur de température placé uniquement dans le séjour), les besoins en chauffage et en refroidissement effectivement constatés dans nos simulations sont plus faibles que ceux prévus en «référence». Nous sommes conscients que les résultats obtenus dépendent des hypothèses faites. Des éléments nous ont manqué (points de fonctionnement de la PAC, caractéristiques précises du ballon d ECS, efficacité de la batterie air/tyfocor, caractéristiques des pompes, des ventilateurs, ), ce qui rend les résultats exploitables qualitativement mais pas toujours quantitativement. Par exemple, nous n avons pas pu tirer directement de conclusion des consommations annuelles calculées. Cette étude n a pas vocation à être arrêtée à l issue de ce stage, d autant plus que lorsque l UC achetée au CSTB sera mise en route, il sera possible d effectuer des mesures. Concernant la modélisation, il serait intéressant de prendre en compte la présence du circuit de chauffage auxiliaire, celle du puits canadien, ou encore le rôle de la pression dans le circuit (impact des filtres, impact sur la consommation des pompes, des ventilateurs ). Enfin, si les informations qui nous manquent à ce jour peuvent être obtenues, cela permettra de comparer les performances de cette UC avec d autres solutions, en n oubliant pas que l un des intérêts des UC est leur compacité et leur facilité d installation.

49 49/97 Bibliographie Rapports de stage - de Jean-Baptiste Nardot : «Bâtiments à faible consommation», DDD/DE/PEB T - de Martin Chiche, «Etude et comparaison du comportement thermique d un bâtiment bois et d un bâtiment béton» - de Younes Kartachi, «Evaluation numérique des systèmes de chauffage et de rafraîchissement à l aide de l outil de simulation dynamique SIMBAD» ; DDD/DE/PEB T, août 2006 Documentation VIESSMANN - Tour d énergie compacte, Système complets basés sur les modules de cuisine pour le chauffage et l eau chaude sanitaire avec intégration solaire, VITODENS 343, VITOCAL 343, VITOTRES 343, Viessmann (sous forme papier et pdf) - VITOTRES 343, Compact System Tower for energy-efficient houses for regulated domestic ventilation with heat recovery, DHW heating and central heating (heating fresh ventilation air), VIESSMANN, VITODENS 343, VITOCAL 343, VITOTRES 343, Viessmann (pdf) - Datasheet, VITOTRES 343, Compact heating centre for energy-efficient houses ; GB 5/2004 (sous forme papier et pdf) - Datasheet, VITOTRES 343, Compact Energy Tower for energy-efficient houses ; GB 3/2006 (pdf) - Technical guide, VITOTRES 343, Compact heating centre for energy-efficient houses ; GB 5/2004 (sous forme papier et pdf) - Montage- und Serviceanleitung, Vitotres 343, Viessmann ; /2004 (livret) («notice») - Bedienungsanleitung, Vitotres 343, Viessmann, /2006 (photocopies) («mode d emploi») Autre documentation - rapport «Comparaison internationale bâtiment et énergie», Rapport n 1, version n 1, CSTB 30 juin rapport «Vers des bâtiments neufs et existants à très basse consommation voire à énergie positive ; partie 2 : Analyse d une série de projets», Fadi CHLELA, Emmanuel FLEURY, Claude FRANCOIS, Daniel QUENARD, Jean Christophe VISIER, Marc Weckstein, CSTB avril 2006 Sites internet - site de énergie plus : - site de l ADEME : - site de Viessmann : - site de minergie : - site de passivhaus :

50 50/97 Annexes

51 51/97 1. Annexe 1 : implantations du CSTB Figure 45 : Implantations du CSTB avec l effectif au 31/12/07 et les départements présents 2. Annexe 2 : organigramme du département ESE Figure 46 : organigramme du département ESE du CSTB

52 3. Annexe 3 : puits canadien 52/97 Le principe d un puits canadien également appelé puits provençal ou puits climatique est d utiliser de manière passive l énergie géothermique. L air neuf destiné à la ventilation du bâtiment circule d abord dans des tuyaux enterrés dans le sol, à une profondeur de 1,5 à 2 mètres, à laquelle la température est à peu près constante (environ 15 C en été, 5 C en hiver). En hiver, la température du sol est plus importante que celle extérieure, l air est par conséquent préchauffé ce qui permet une économie de chauffage. En revanche, en été, la température du sol est plus faible que celle de l air extérieur, ce dernier est donc rafraîchi avant d entrer dans le bâtiment. Une entrée d air en prise directe peut être mise en place pour certaines parties de l année où le by-pass du puits canadien est nécessaire. A : ouverture d entrée B : filtre C : élément de drainage D : pente d au moins 2% E : ouverture pour nettoyage F : vers suite du circuit Figure 47 : schéma d un puits canadien 4. Annexe 4 : exemple de fonctionnement d une UC Il existe différents types d unités compactes, avec des fonctionnements plus ou moins proches. L unité compacte suivante est un exemple de fonctionnement possible, mais différent de celui de l UC Vitotres 343 auquel nous nous intéressons dans le rapport. Figure 48 : exemple de fonctionnement d une UC

53 53/97 L air neuf entre en 2, passe par un puits canadien (où il est réchauffé en hiver / refroidi en été), et est ensuite éventuellement réchauffé à l aide d une résistance électrique dans le but d éviter tout risque de gel (possibilité de prendre l air neuf directement par 14-9). En 3, un ventilateur centrifuge l aspire et le fait passer dans un échangeur air neuf / air vicié (5). L air neuf récupère ainsi une partie de l énergie de l air vicié (si l air neuf ne doit pas être réchauffé, par exemple l été, la vanne 8 peut être ouverte). L air est encore réchauffé à l aide d un échangeur (22) air neuf / eau (chauffée au niveau du ballon d ECS). L air neuf est finalement ventilé dans le local en 7. L air vicié est aspiré en 6 par le ventilateur centrifuge 11, passe dans l échangeur 5, cédant donc de l énergie à l air neuf ; puis, il cède son énergie résiduelle au niveau de l évaporateur de la PAC (l air vicié peut de plus à ce niveau être mélangé avec de l air neuf, aspiré par le ventilateur 15). Le fluide frigorigène de la PAC passe donc successivement dans l évaporateur, où il capte une partie de l énergie de l air vicié (ou mélange air vicié/air neuf), dans le compresseur, dans le condenseur, où il cède son énergie à un circuit d eau relié au ballon d ECS, et enfin dans un détendeur. Le ballon d ECS est donc réchauffé de plusieurs façons : - un circuit d eau 13, comprenant une pompe, récupère l énergie cédée au niveau du condenseur 12 de la PAC. - dans le circuit 19, de l eau récupère la chaleur captée au niveau des panneaux solaires (17). - la résistance électrique 18 est en appoint. Le circuit 21, comprenant une pompe, utilise la chaleur de l eau du ballon d ECS pour réchauffer l air neuf au niveau de l échangeur 22. Le circuit 20 est celui qui correspond à l alimentation du bâtiment en ECS ; il alimente également des radiateurs d appoint (exemple : salle de bain). 5. Annexe 5 : Valeurs caractéristiques de l UC - traduction Les tableaux suivants (hormis la colonne «français»), proviennent du document «datasheet» ; nous avons traduit les intitulés en français afin de rendre plus facile l utilisation des données. 5.1 Unité complète Anglais ou Allemand Français Valeurs Length Longueur 677 mm Width Largeur 600 mm Height (excl. fan/without vent) Hauteur (conduit/ventilateur exclu) mm Height when tilted, Hauteur quand inclinée, unité sur mm boiler/equipment on a pallet palette Height when tilted, Hauteur quand inclinée, unité seule mm boiler/equipment alone Weight (empty) Masse à vide 250 kg Rated voltage Tension nominale 3/N/PE 400V~/50 Hz Fuse (slow) Fusible (lent) 3 x 16 A Protection Protection IP 20 Maximum output - hydraulic Puissance maximale fournie via l eau 7.3 kw (dont 6kW par le chauf. élect.) Maximum output via air Puissance maximale fournie via l air 2.3 kw (débit d air de ventilation : 210 m 3 /h, température de l air 50 C, température de la pièce 20 C) Max. Leistungsaufnahme Puissance consommée/absorbée 7.0 kw maximale Stromaufnahme - betrieb Courant absorbé en fonctionnement 10.9 A Stromaufnahme Anlauf Courant absorbé au démarrage 26.0 A Stromaufnahme - Blockiert Courant absorbé quand bloqué 19.0 A Heat availability level of the entire unit Niveau de chaleur disponible de l unité entière Jusqu à 490%

54 54/97 Process medium fill level/volume Max. system pressure heating circuit/solar circuit Response pressure of the safety valve on the primary side Max. flow Température auxiliary heating circuit Min. flow rate auxiliary heating circuit Pressure drop of the auxiliary heating circuit at min. flow rate Solar circuit residual head/height Niveau/volume de medium de remplissage de l unité (Rq : 25 litres de medium tyfocor G-LS fourni) Pression maximale du système, circuit de chauffage/circuit solaire Pression de réponse de la vanne de sécurité du côté primaire Température maximale dans le circuit de chauffage auxiliaire Débit minimal dans le circuit de chauffage auxiliaire Chute de pression dans le circuit de chauffage auxiliaire à débit minimal Circuit solaire hauteur de charge résiduelle Température ambiante maximale admise pendant le fonctionnement Température ambiante minimale Max. permissible ambient température during operation Min. permissible ambient température during operation admise pendant le fonctionnement Max. permissible ambient Température ambiante maximale température during storage and admise pendant le stockage et le transport transport Min. permissible ambient Température ambiante minimale température during storage and admise pendant le stockage et le transport transport Tableau 3 : Valeurs pour l UC complète 20 litres 3.5 bars 4 bars 65 C 700 l/h 175 mbar 180 mbar 35 C 2 C 45 C -25 C 5.2 Récupérateur de chaleur / module de ventilation Anglais ou Allemand Français Valeurs Sound pressure level Niveau sonore (à 1m en face de 35 db (A) l équipement) (cf. «datasheet» pdf p5) Air flow rate Débit d air 70 à 250 m 3 /h Max. ventilation air pressing/ Compression maximale de l air de 250 Pa compression at 250 m 3 /h (without filter) ventilation à 250 m 3 /h (sans filtre) Max. exhaust air pressing/ Compression maximale de l air 100 Pa compression at 250 m 3 /h vicié/extrait à 250 m 3 /h DC fan expelled air Ventilateur DC air expulsé à l ext. 100 W DC fan outside air Ventilateur DC air extérieur 100 W Heat availability level of the heat Niveau de chaleur disponible au niveau Jusqu à 86% (>80%) recovery du récupérateur de chaleur Pressure drop outside air filter Chute de pression boite de filtre à air 40 Pa box at 250 m 3 /h Max. permissible pressure drop of the outside air routing to the heat pump at 150 m 3 /h extérieur à 250 m 3 /h Chute de pression max. permise pour l air extérieur allant à la pompe à chaleur à 150 m 3 /h 50 Pa Max. ventilation air temperature Température maximale de ventilation 52 C (adjustable) (ajustable) Min. cooling temperature Température minimale de 18 C (adjustable) refroidissement (ventilation) (ajustable) Tableau 4 : valeurs pour le récupérateur de chaleur et le module de ventilation 5.3 Module de pompe à chaleur Anglais ou Allemand Français Valeurs Lower application limit Limite basse d application -15 C Max. flow Tre Température maximale dans le circuit 65 C Rated output (to EN 255) Puissance nominale 1.5 kw

55 55/97 max. Leistungsaufnahme Puissance absorbée/ consommée max 0.7 kw Performance factor at L2/W35 C COP L2/W35 C 2.6 Performance factor at L7/W35 C COP L7/W35 C 2.8 Refrigerant / volume Réfrigérant / volume (masse) R134a / 0.9 kg Cooling capacity max. (= max. Capacité/puissance maximale de 1 kw cooling output) Electric booster heater / auxiliary heating element, electric (stepped) 5.4 Ballon d ECS refroidissement Élément de chauffage électrique d appoint (Rq : pour l ECS ou l air ventilé) Tableau 5 : valeur pour le module de PAC 2/4/6 kw Anglais ou Allemand Français Valeurs Capacity Capacité 250 litres Continuous DHW output (at 7.3 kw Débit continu d ECS (à une puissance 200 l/h heating output and an outlet Tre of 42 C de chauffe de 7,3 kw et à une Tre de sortie de 42 C) DHW performance factor N L (COP pour l ECS) 1.5 Max. draw-off rate litres (or 16.8 litres/min volume) Permissible operating pressure Pression de fonctionnement permise 10 bars Max DHW temperature Temperature maximale de l ECS (avec 65 C appoint électrique) Max. DHW temperature without Température maximale de l ECS sans 50 C electric supplementary heater appoint de chauffage électrique Cylinder protection Protection du ballon Anode à courant externe Tableau 6 : valeurs pour le ballon d ECS 5.5 Connections Anglais ou Allemand Français Valeurs Outside air/ventilation air/expelled Air extérieur/air de ventilation/air rejeté 160 mm de diamètre air/extract air à l extérieur/air extrait Outside air to the heat pump Air extérieur connecté à la pompe à 125 mm de diamètre chaleur Flow/return auxiliary heating circuit Aller/retour circuit de chaleur auxiliaire Multi-connect system sleeve DN20 Flow/return solar circuit Aller/retour circuit solaire Multi-connect system sleeve DN20 Cold water Eau froide ¾" R DHW Eau chaude sanitaire ¾" R DHW circulation Circulation d ECS ¾" R Drain (overflow) Tuyau d évacuation (trop-plein) 32 DN (diamètre nominal) Tableau 7 : valeurs pour les connections

56 56/97 6. Annexe 6 : caractéristiques du tyfocor G-LS La figure suivante présente les principales caractéristiques du tyfocor G-LS. Ces informations sont tirées de la documentation pdf proposée par le site qui contient d autres données si nécessaire. Figure 49 : principales caractéristiques du tyfocor G-LS 7. Annexe 7 : abbréviations / vocabulaire utiles PAC : pompe à chaleur UC : unité compacte ECS : eau chaude sanitaire Anglais / Allemand / abbréviation DHW Energy efficient house Exhaust air Heat pump Low energy house SBP Solltemperatur Stale air WRG Zuluftregister / ventilation bank Zusatz-Heizkreis Signification domestic hot water (eau chaude sanitaire) maison passive air extrait pompe à chaleur maison à faible consommation énergétique Sommerbypass (by-pass d été) température de consigne air vicié récupération de chaleur Batterie air / tyfocor chauffage additionnel (ex : plancher chauffant dans salle de bain) 8. Annexe 8 : Régulation proposée dans la bibliographie traduction Nous nous sommes intéressés aux pages 90 à 120 de la «notice» (document entièrement en allemand) qui ont trait à la régulation des différents éléments de l UC. Nous avons travaillé à sa traduction afin d avoir en notre possession les éléments nécessaires pour la régulation utilisée dans notre modèle. La première colonne des tableaux de cette annexe fait référence au numéro de la page en question. Dans la deuxième colonne, nous avons indiqué les principales informations contenues dans la page et susceptibles d avoir un intérêt pour notre modélisation (sous forme de prise de notes). Chaque tiret correspond à un paragraphe de la page. Nous avons ajouté certains commentaires en italique. Il est important de noter que les traductions ne sont pas nécessairement parfaites et que la compréhension de certains paragraphes reste parfois floue.

57 57/ PAC 90 - Température maximale de départ de la PAC (limitation) : 60 C (entre 25 et 60 C) (autrement dit, la température du tyfocor en sortie de condenseur ne peut pas dépasser les 60 C) - Différence de température pour le dégivrage : si la différence de température entre l air d échappement (en sortie de l échangeur?) et l évaporateur dépasse la valeur réglée, l évaporateur est dégivré ; deltat standard : 18 K (entre 0.5 et 30 K) (en effet, le givre crée une résistance thermique qui augmente la différence de température au niveau de l échange de chaleur ; si cette différence devient importante (ex 18K), c est qu il y a trop de givre, il faut donc dégivrer l évaporateur) - Réglage du laps de temps pendant lequel le compresseur reste éteint avant une nouvelle mise sous tension ; cette fonction sert à protéger la PAC d une surcharge : standard : 10 min (entre 20 s et 30 min) 91 - Réglage de la durée minimale de fonctionnement de la PAC ; avant expiration de ce laps de temps, la PAC n est pas mise hors circuit : standard : 2 min (entre 2 et 30 min). - Retard de démarrage : réglage du laps de temps pendant lequel la PAC reste éteinte après que le fluide frigorifique ait changé de sens : standard 30s (entre 10 s et 01:40 min) - Dégivrage : réglage du laps de temps pendant lequel la PAC dégèle activement l évaporateur : standard : 5:00 min (entre 00:30 et 20:00 min) 92 - Durée de fonctionnement minimum de la PAC après un dégivrage ; avant l expiration de ce temps [attention également à respecter le temps d arrêt minimal du compresseur] aucun nouveau dégivrage n est commencé : durée standard : 20:00 min (entre 00:00 et 120:00 min) 8.2 Chauffage électrique 93 - Blocage par l entreprise de distribution d électricité : possibilité de couper le chauffage électrique de l appareil 3x2 heures par jour maximum. - Chauffer à l aide du chauffage électrique : le chauffage électrique est utilisé lors d un trop faible apport de chaleur par l échangeur de chaleur et par la PAC (la chaleur apportée est utilisée pour la ventilation et le chauffage additionnel) Réglage de la température maximum de départ du chauffage électrique: 65 C (entre 5 et 75 C) ; (autrement dit, la température du tyfocor en sortie du chauffage électrique ne pourra pas dépasser 65 C). - Seuil de démarrage du chauffage électrique : le réglage définit après quel «montant» le chauffage électrique démarre (il s agit d intégrer sur le temps la différence de température entre la température réelle et la consigne, cf. chauffage par ventilation). Une brève variation de température ne déclenche donc pas le chauffage électrique. Valeur seuil de l intégrale déclenchant le chauffage électrique : 300 K.min (entre 10 et K.min) (autrement dit, si la température varie peu autour de la valeur de consigne, le chauffage électrique ne se mettra pas en route ; au contraire, si la variation est importante et/ou sur une longue période, alors le chauffage électrique sera utilisé). - Réglage du niveau maximal de chauffage électrique : standard : niveau 3 (6kW) (2, 4 ou 6 kw maxi)

58 58/ Hydraulique interne 95 - Commande (télécommande ou non) - Référence à une valeur d hystérésis (nous n avons pas compris à quoi cette hystérésis correspond) - Vanne 3 voies ; part d intégrale : 30 (de 1 à 50) 96 - Vanne 3 voies ; part proportionnelle : 30 (entre 0 et 100) - Pompe du circuit interne : réglage du temps pendant lequel la pompe continue de fonctionner après que la production de chaleur ait été arrêtée par la PAC ou le chauffage électrique : 2 min (entre 10s et 5 min) 97 - Nombre d impulsions que le moteur de la vanne 3 voies doit recevoir pour aller d une position à une autre 8.4 Capteurs solaires 98 - Si les capteurs solaires existent, ils doivent être activés - Réglage de la température maximale du collecteur : 125 C (entre 100 et 300 C) ; lors du dépassement de cette valeur, la pompe du circuit solaire est mise hors circuit Hystérésis pour la commande de la pompe solaire : utilise la différence de température entre les capteurs solaires et le ballon d eau chaude ; cf. graphique ; avec les valeurs standards, la pompe se met en fonctionnement lorsque la température dépasse T_ballon + 7 et s arrête lorsque la température descend en dessous de T_ballon Il existe une autre façon de réguler, plus complexe : cf. graphique. En 1, la pompe du circuit solaire se met en route, pour un certain laps de temps («Pumpenkick») ; en 2, la température a atteint Tballon + 7, la pompe reste fonctionner jusqu au point 3 (Tballon + 3) ; valeur de l hystérésis 3.5 K à régler Durée de validité du «Pumpenkick» : 2s (entre 1s et 20 min) (ce temps nous semble très court) - Temps mort : temps pendant lequel la pompe ne peut pas se remettre en route après un «Pumpenkick» : 1 min (entre 1 et 60 min) - Débit : l entrée de cette valeur est la base du calcul de la production solaire ; le débit doit être calculé en fonction du rendement et des pertes de charge ; standard : 100 l/h (entre 10 et 500 l/h) (donc le débit est à calculer puis à entrer comme paramètre) 8.5 ECS Température du ballon d eau chaude - Programme de la pompe de circulation Le but du chauffage est de garantir la priorité au chauffage solaire par rapport à l utilisation des autres sources de chaleur. Un «profil de soutien» est défini par les paramètres suivants : «speicher warm um» (~ moment de la journée où la température du ballon sera élevée) (18h) (entre 0 et 24h) et la hausse de température par heure (5 K/h) (ente 1 et 100 K/h). Ce profil fixe jusqu à quelle valeur la température moyenne peut baisser sans que l eau soit réchauffée à l aide de la PAC ou du

59 59/97 chauffage électrique. Le profil est fixé de telle sorte que le réchauffage par PAC ou chauffage électrique soit utilisé seulement en fin d après-midi. De cette façon, les capteurs solaires sont utilisés de façon optimale sous des conditions climatiques d Europe centrale. Pour des zones climatiques plus froides, il peut être logique de régler l augmentation de température/heure à une valeur inférieure à 5K/h. Si la valeur est réglée > 5K/h, la part d énergie «étrangère» (électricité) est sensiblement augmentée. Cf. schéma : avec une offre solaire favorable, la température dans le ballon suit globalement le profil de soutien sans l intercepter, la PAC n est donc pas nécessaire ; au contraire, si l offre solaire est défavorable, la PAC est utilisée pour réchauffer l eau Si aucun capteur solaire n est connecté, le profil de soutien garantit que le ballon d ECS est chauffé une fois tous les jours complètement (température moyenne des 3 capteurs du ballon). Le réglage type du profil garantit que cela arrive à un moment favorable au niveau énergétique pour la PAC. - Si aucun capteur solaire n est connecté, il serait peut-être judicieux de déplacer le profil dans les heures matinales (électricité moins chère) Dans les situations où la production d énergie par la PAC est supérieure à la demande d air chaud soufflé, la chaleur excédentaire est «versée» dans le ballon d ECS (régime tampon). Une température minimale pour le ballon d EC doit être définie afin d éviter, lors de la décharge de cette énergie stocké (ballon => air chaud), que la température diminue trop fortement : température minimale dans le chauffe-eau : 37 C (entre 10 et 60 C). - Réglage de la température maximale dans le ballon d EC : 60 C (entre 20 et 80 C) (il s agit d une sécurité). - Hystérésis sur la différence de température entre celle de consigne et celle du ballon d EC : 7K (entre 1 et 10K). Par rapport à la page 106 (graphique), cette hystérésis correspond à celle de la PAC (lorsque la température dans le ballon est inférieure à Tcons 7K, alors la PAC se met en route). La valeur de l hystérésis doit se trouver au-dessus de l abaissement de température attendu par les pertes de chaleur d une nuit (par exemple hystérésis de 7K alors que perte de 5K par exemple dans une nuit) Cf. graphique : hystérésis pour la mise en route du chauffage par PAC (se met en route à Tcons 7, s arrête à T_cons) et par chauffage électrique (se met en route à T_cons 10 et s arrête à T_cons 7) ; la valeur prise pour l hysteresis du chauffage électrique doit bien sûr être supérieure à celle de la PAC (dans le cas standard : 10K pour le chauffage électrique (entre 2 et 30K) et 7K pour la PAC (entre 1 et 10K)) Si le chauffage par la PAC ne suffit pas, le chauffage électrique intégré chauffe de plus l eau dans le ballon ; ce chauffage supplémentaire peut être éteint/mis hors circuit. Il s agit ici de définir si oui ou non on veut que le chauffage électrique intervienne. (A priori, si c est «non», c est qu il ne sera pas du tout utilisé, même pour aider à chauffer l air de ventilation) 8.6 Ventilation Temps de dégivrage au niveau du récupérateur de chaleur : 5 min (entre 1 et 30 min). Pendant ce temps, il n y a pas de récupération de chaleur (l air passe par le by-pass, l air chaud vicié continue par contre de passer dans l échangeur, et par conséquent aide au dégivrage). La température minimum de l air de ventilation est fournie par la PAC (au niveau de la batterie air/tyfocor). Le dégivrage a toujours lieu lorsque la perte de charge dans l échangeur de chaleur contre courant (due au givre) est devenue si grande que les mécanismes de compensation (régulation interne) (adaptation du ventilateur pour que le débit reste environ constant) ne suffisent plus pour atteindre le débit exigé Réglage du temps minimum entre 2 dégivrages : 15 min (entre 1 min 40 et 333 min 20). Cf.

60 60/97 graphique : B : dégivrage, pas de récupération de chaleur (by-pass) (100%) ; C : utilisation de la récupération de chaleur (0%). - Réglage de l'intervalle de temps, pendant lequel une moyenne de la perte de charge dans le système de canal d'air est formée : 25h (entre 1 et 100 h). La moyenne est une base pour le calcul des intervalles de changement du filtre Réglage du débit de changement d air de base en fonction du volume du bâtiment ; standard : 150 m3/h (entre 70 et 250 m3/h). - Hystérésis de changement de filtre ; réglage de la performance de débit de ventilateur au maximum admise : 90% (entre 1 et 100%) (si cette valeur est dépassée, le ventilateur consomme trop d énergie, les filtres doivent être changés). - By-pass : réglage des étapes d impulsion que le moteur du by-pass doit recevoir pour aller d une position finale à une autre. 8.7 Chauffage par ventilation Hystérésis pour la température dans la pièce ; réglage qui détermine pour quelle variation de température le chauffage par ventilation est éteint ; classique : 0.3 K (entre 0.3 et 2 K) Cf. graphique - Démarrage du chauffage électrique : le réglage définit après quel «montant» le chauffage électrique démarre. Une variation de température de courte durée ne déclenche pas le chauffage électrique. Cf. schéma ; standard : valeur de l intégrale supérieure à 300 K.min Réglage de la température maximale de l air soufflé : 60 C (entre 25 et 65 C) - régulation intégrale/proportionnelle pour la température ambiante Réglage de l intervalle de temps pendant lequel une moyenne de la température ambiante est formée. Celle-ci est une base pour la régulation de la température ambiante. Standard : 1h. 8.8 Circuit de chauffage additionnel Température de départ du circuit de chauffage additionnel : 45 C (entre 18 et 65 C) (il s agit de la température du tyfocor en entrée du circuit de chauffage) Réglage OUI/NON => si réglé OUI : priorité du chauffage additionnel sur le chauffage par air chaud ; on a alors accès aux autres paramètres du réglage, => si réglé NON (cas standard) : il n y a pas cette priorité : en premier lieu, chauffage par air chaud, puis si possible chauffage supplémentaire. Ce chauffage supplémentaire est de plus réglé temporellement (une demie heure le matin et le soir par exemple) paragraphes mal compris (réglage à 10 : un delta de 1K sur la température ambiante implique un delta de 10K sur la température de l air soufflé) paragraphe non compris

61 61/ Refroidissement Réglage et hystérésis du by-pass d été : cf. schéma ; le by-pass se déclenche lorsque la température dépasse Tconsigne_batiment +3K + 0,3K et il y a à nouveau échange de chaleur lorsque la température diminue en-dessous de Tconsigne_batiment +3K - 0,3K (il s agit ici de la REGULATION de la valeur ; le paragraphe suivant pose une CONDITION pour que le by-pass puisse être activé). - CONDITION : l activation du by-pass n est logique que quand Tair_neuf < Téchappement. On définit ici pour quelle différence de température l activation du by-pass a lieu ; standard : 0.5K (entre 0.2 et 2 K) (condition nécessaire mais pas suffisante, en effet même si la différence existe, il faut qu il fasse tout de même suffisamment chaud dans la maison) Réglage de la mise en route et de l arrêt de la PAC en mode froid ; cf. schéma Température minimale de départ de la PAC pour le refroidissement : 16 C (entre 5 et 25 C). Il s agit de fixer cette température (sécurité) pour éviter la condensation au niveau de la batterie air/tyfocor (à l intérieur aussi bien qu à l extérieur) si la température du tyfocor en sortie de l évaporateur (échangeur fluide frigorifique / tyfocor) est trop faible. - Définition du changement d air minimum pour le refroidissement : 180 m3/h (entre 100 et 250 m3/h) (le fait que l on fixe une valeur minimum pour la ventilation dans le cas du refroidissement indépendamment du reste peut s expliquer par le fait que, la différence de température étant faible (au niveau de la batterie air/tyfocor), il faut compenser par un débit suffisant pour pouvoir transmettre une puissance non négligeable (P=Qm.Cp.deltaT)). 9. Annexe 9 : récapitulatif des acronymes Le tableau suivant présente les acronymes utilisés dans les schémas de l UC Vitotres 343. Abrév. Anglais Français AB Exhaust air Air vicié, extrait AU Outside air Air extérieur AW Outside air supply to the heat pump Air extérieur pour la PAC E Drain Drainage FO Expelled air Air expulsé (à l extérieur) HR Heating return Retour du circuit de chauffage auxiliaire HV Heating flow Départ du circuit de chauffage auxiliaire KW Cold water Eau froide RL Solar return Retour du circuit solaire (vers panneaux solaires) VL Solar flow Départ du circuit solaire WW Hot water Eau chaude Z DHW circulation Circulation d ECS ZU Ventilation air Air de ventilation Tableau 8 : Récapitulatif des acronymes utilisés

62 62/ Annexe 10 : dessin de l UC ouverte A : connections hydrauliques B : batterie air/tyfocor (chauffage/rafraîchissement) C : pompe du circuit solaire D : échangeur de chaleur (récupérateur) E : pompe du circuit hydraulique interne F : pompe à chaleur air/eau G : unité de contrôle CD 70 H : système de chauffage électrique supplémentaire K : filtre L : ballon d ECS fait d acier avec une couche d émail et une anode à courant externe M : vase d expansion à diaphragme N : équipement de sécurité de l ECS Figure 50 : Unité compacte Vitotres ouverte Source : «datasheet» (internet) p Annexe 11 : récupérateur de chaleur - caractéristiques Le graphique suivant présente les courbes du rendement de l échangeur en fonction du débit d air, et ce pour 3 cas différents : A : valeurs non corrigées B : circuit avec puits canadien C : circuit sans puits canadien, mais avec prise en compte de la protection antigel, des pertes thermiques Figure 51 : Rendement de l'échangeur de chaleur (sans PAC) Valeurs moyennes de température extérieure à -3, 4 et 10 C Source : «datasheet» pdf p 11

63 63/ Annexe 12 : Ventilateurs - caractéristiques Le graphique suivant (figure 8) représente la pression apportée par le ventilateur en fonction du débit, pour l air de ventilation (A) et pour l air extrait (B). Figure 52 : courbes de fonctionnement des ventilateurs Source : «technical guide» p 29 Le graphique figure 9, qui représente l évolution de la consommation en fonction des pertes de pression et ce pour différentes valeurs de débit, permet de déterminer la consommation (en W) des ventilateurs. Remarque : il semble en contradiction avec la figure 8 (l axe des pressions s arrête à 200 Pa) D : 250 m 3 /h C : 200 m 3 /h B : 130 m 3 /h A : 90 m 3 /h Figure 53 : Consommation en fonction des pertes de pression pour différentes valeurs de débit Source : «datasheet» (internet) p Annexe 13 : Filtre (air extérieur) - caractéristiques Figure 54 : Graphique de la perte de pression en fonction du débit boite du filtre à air extérieur Source : «Technical guide» p 29

64 64/ Annexe 14 : PAC - caractéristiques PAC utilisée pour le circuit de chauffage Le tableau suivant (n 7) présente les valeurs de la puissance fournie, de la puissance consommée et du COP de la PAC pour différents débits et températures d air (au niveau de l évaporateur). La PAC est dans ce cas utilisée pour le circuit de chauffage. Tableau 9 : données de fonctionnement de la PAC circuit de chauffage Source : «datasheet» pdf p 9 PAC utilisée pour le chauffage de l ECS Les données du tableau suivant (n 8) concernent une utilisation de la PAC pour le chauffage de l ECS. Tableau 10 : données de fonctionnement de la PAC - chauffage de l'ecs Source : PDF datasheet p Annexe 15 : pompe solaire - caractéristiques Figure 55 : hauteur résiduelle de la pompe du circuit solaire interne Source : «datasheet» (internet) p 14

65 65/ Annexe 16 : ordres de grandeur de l UC Voici quelques exemples de valeurs trouvés dans la bibliographie. Premier exemple : valeurs de température mesurées par les capteurs lors du fonctionnement (Source : «mode d emploi» p 33) Air extérieur : 7.1 C Air d échappement : 8.3 C Pièce : 9.6 C (semble étrange) Evaporateur : 53.4 C (semble étrange) Capteur solaire : 30.7 C Réservoir d EC (en haut) : 51.6 C Réservoir d EC (au milieu) : 40.6 C Deuxième exemple : valeurs de températures (Source : «mode d emploi» p 36) (débit : 100 m3/h) Pièce : 19 C Air extérieur : 7 C Air extrait après récupérateur : 22 C Au niveau de l évaporateur : 16 C Retour du chauffage additionnel : 20 C Sortie du chauffage électrique : 63 C (0 kw de chauffage électrique) Au niveau des capteurs solaires : 120 C Ballon : 58, 40 et 28 C En sortie de l échangeur du ballon : 30 C Troisième exemple : pour un débit d air de 200 m3/h, une température extérieure de 4 C et une température ambiante de 20 C, on a : Puissance délivrée par la PAC : 1.6 kw Puissance électrique appelée par la PAC : 0.65 kw COP = Annexe 17 : demande d informations, correspondance avec l Allemagne Voici l échange de mails que nous avons eu avec Mrs Schütt de Viessmann en Allemagne. Nous lui avons posé certaines questions sur des points qui nous semblaient flous. Ses réponses n ont cependant pas apporté toutes les précisions dont nous avions besoin. Dans le mail où des éléments de réponse sont apportés, nous avons rajouté des commentaires (non présents dans le mail, indiqués à l aide d une flèche) où nous expliquons ce que nous avons pu tirer de ces informations Mail envoyé le 25/07/07 à Mrs Schütt, Stt@viessmann.com Dear Mrs Schuett, A French employee of Viessmann France, Gérard Korähnke, thinking that you could help us, gave us your mail address. Let me explain the situation. We are working at the French research centre CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) on low energy and energy efficient houses. For that purpose, we bought in January 2007 one of Viessmann compact devices at Paris (VITOTRES 343) in order to model it, understand its working, study its performances and see how it could be implemented in France. We have already studied many documents concerning this compact device. However, we could not find some data, which prevents us from carrying on our studies. Would you be ready to answer the few questions we have? If we are addressing the wrong person, could you please give us the mail address of a person in charge of this compact device?

66 66/97 We look forward to reading from you and we thank you for having taken the time to read this mail. Best regards Marie Boyer 17.2 Mail reçu le 26/07/07 de la part de Mrs Schütt Hello Mrs Boyer, I'm the product manager for heat pumps and I've some knowledge about the Vitotres 343. I would recommend that you send me your Questions and I will answer them or pass it to a person in research and development who can do it. Best regards Andreas Schütt 17.3 Mail envoyé le 03/08/07 à Mrs Schütt avec ses réponses insérées (mail reçu le 08/08/07) Dear Mrs Schütt, We really thank you for having replied so rapidly and for being ready to help us regarding the compact device Vitotres 343. As you proposed, here are the questions we have: In order to model the heat pump that is inside the compact device, we would need some operation points (evaporator inlet temperature, condenser outlet temperature, compressor power and hot/cold power produced). Would it be possible to have the manufacturer data, or if not just 3 points, like a rated one, one where the difference of temperature between the evaporator and the condenser is maximal and one where the latter is minimal (for both the heating and cooling mode)?

67 67/97 Nous avions déjà à notre disposition ces graphiques ; cependant, dans le premier graphique par exemple, il nous manque les températures du condenseur permettant de définir les points de fonctionnement dont nous avons besoin. Regarding the DHW storage tank and the exchanger passing through it, the values of the following parameters would really help us: the exchanger surface, inner diameter and thickness, the nominal flow rate inside the exchanger, and the tank diameter and thickness. Exchanger Surface: 1,78 m² Inner Diameter: 33,7 mm Ces informations sont intéressantes. Cependant, il nous manque encore d autres valeurs (demandées dans le paragraphe ci-dessus) ; nous avons donc préféré garder les valeurs mises à l origine dans le modèle du ballon d ECS (fausses mais cohérentes entre elles). S il est possible à posteriori d obtenir l ensemble des valeurs nécessaires, il sera alors intéressant de les rentrer dans le modèle du ballon. How is the 3-way-valve (situated in the tyfocor circuit) regulated? Is it thanks to a proportional/integral regulation? It works in steps and is controlled by a proportional/integral controller We have understood that the auxiliary electric heating element can take the values of 2, 4 and 6 kw and that the user can choose the level. Once chosen, for example 4 kw, is the electric heater only working at 0 or 4 kw, or can it work at 2 kw also? What would be the regulation then? There is a special logic in the controller. It counts the time and the delta T (Integral [Ks]). That means, is there a big Temperature drop in a very short time the electric heater will start with 2 kw. The controller messuare the temperature again. Is the temperature dropp goining on, the controller take the next Powerlevel maybe 4 kw ans so on.

68 68/97 Nous avions d ores et déjà compris que la mise en marche du chauffage électrique se faisait à l aide du calcul de l intégrale montrée sur le schéma. Cependant, nous n avons finalement aucune indication sur comment le niveau supérieur est enclenché si la température continue de diminuer (quel nouveau seuil?) We haven t found data about the pump used in the tyfocor circuit: does a characteristic curve exist? As far as the fans are concerned, would it be possible to have more information about them (like their characteristic curves)? What type of heat exchanger is the ventilation bank (called Zuluftregister in german)? We thought it was a cross-flow one, is that right? Would it be possible to have its features, like its efficiency as a function of the flow-rate? We have two heat recovery systems inside. A passiv and an active one (cross-flow heatexchanger (passiv) and the Evaporater of the heat pump active). Hormis l échangeur lié à la PAC, il est fait état d un seul autre échangeur, à courants croisés : mais s agit-il du récupérateur de chaleur ou du «ventilation bank» (batterie air/tyfocor) dont nous avons parlé dans le mail? Cela ne nous a pas paru clair. We do realize that we have many questions, so if you consider it is the case, we can say the first ones are of most importance for us. We thank you in advance for the time you will dedicate us. Best regards. Marie Boyer

69 69/ Annexe 18 : Structure du modèle de PAC Figure 56 : niveau supérieur du bloc «RHPU1» La PAC elle-même est modélisée par le bloc «Embedded MATLAB Function», qui comme son l indique est directement un programme en langage MATLAB. Pour que son fonctionnement puisse être modélisé, le programme nécessite les entrées suivantes : - u0 : le mode de fonctionnement (0 : à l arrêt ; 1 : en mode chauffage ; 2 : en mode refroidissement) - u1 : les caractéristiques (température et débit massique) du fluide à l entrée de l évaporateur (air ou tyfocor) et du fluide à l entrée du condenseur (air ou tyfocor) (donc il s agit d un vecteur à 4 composantes) ; étant donné que la PAC est réversible, selon le mode de fonctionnement (chaud ou froid), le fluide à l évaporateur n est pas toujours le même (idem pour le condenseur). Un bloc en amont permet donc de déterminer, selon le mode de fonctionnement, quel fluide se trouve au niveau de l évaporateur et quel fluide se trouve au niveau du condenseur. - u2 : paramètres (il s agit d un vecteur horizontal de 30 colonnes) - u3 : la température de consigne, différente selon que la PAC fonctionne en mode chaud ou froid ; il s agit de la température souhaitée pour le tyfocor (dans notre cas) en sortie de l échangeur, échangeur qui sera soit le condenseur dans le cas du mode chaud, soit l évaporateur dans le cas du mode froid. Le programme s appuie les entrées citées ci-dessus et sur l interpolation de 3 points de fonctionnement : un point maximal (c est-à-dire un point pour lequel la différence de température entre l évaporateur et le condenseur est maximale), un point nominal et un point minimal (c est-à-dire un point où la différence de température est minimale). Trois principaux cas sont prévus, selon les 3 modes de fonctionnement possibles (0, 1 ou 2). Les valeurs suivantes sont alors calculées : - le COP - la puissance absorbée (pour le compresseur, le ventilateur si le condenseur est à air, et pour le contrôle) - la puissance calorifique ou frigorifique (Pc ou Pf) - la température du fluide en sortie de l évaporateur ; un bloc en aval permet de déterminer le fluide en question (qui est différent selon le mode de fonctionnement de la PAC) - la température du fluide en sortie du condenseur ; un bloc en aval permet de déterminer le fluide en question (qui est différent selon le mode de fonctionnement de la PAC) 19. Annexe 19 : Valeurs des commandes et conséquences Le tableau suivant reprend l ensemble des commandes utilisées dans le modèle de l UC, les valeurs que ces commandes peuvent prendre et ce que cela signifie. Commande Valeur Conséquences 0 Pompe du circuit solaire à l arrêt com_pompe_solaire 1 Pompe du circuit solaire en fonctionnement 0 Pompe du circuit de tyfocor à l arrêt com_pompe_tyf 1 Pompe du circuit de tyfocor en fonctionnement com_ventilo 0 Ventilateurs d extraction/ventilation à l arrêt

70 70/97 com_hiver com_vanne1 com_vanne2 com_bypass com_chauff_elec com_pac 1 Ventilateurs d extraction/ventilation en fonctionnement à débit réduit 2 Ventilateurs d extraction/ventilation en fonctionnement à débit maximal 0 Période non hiver : pas de chauffage du bâtiment 1 Période hiver : chauffage du bâtiment si besoin 0 Vanne n 1 de la vanne 3 voies fermée 1 Vanne n 1 de la vanne 3 voies ouverte 0 Vanne n 2 de la vanne 3 voies fermée 1 Vanne n 2 de la vanne 3 voies ouverte 0 By-pass du récupérateur de chaleur non activé 1 By-pass du récupérateur de chaleur activé 0 Chauffage électrique non allumé N Chauffage électrique allumé au niveau N 0 PAC à l arrêt 1 PAC en fonctionnement en mode chauffage 2 PAC en fonctionnement en mode refroidissement Tableau 11 : valeurs des commandes et conséquences 20. Annexe 20 : Structure du modèle de ballon d ECS Le modèle du ballon d ECS utilisé a été repris du fichier «mozart_bs_simplifié_df_larochelle.mdl» (F. Chlela). L entrée et la sortie du bloc correspondent respectivement à l entrée de tyfocor dans l échangeur du ballon et à sa sortie (vecteurs à 3 composantes : température, pression, débit massique) (figure 13). Figure 57 : bloc du ballon d ECS Lorsque l on ouvre ce bloc, nous pouvons observer la structure présentée en figure 14. Figure 58 : niveau supérieur du bloc «ballon ECS + circuit» La sortie du bloc «Consumption DHW» (vecteur : température, pression, débit massique) est une entrée du bloc «Well mixed tank» (entrée d eau froide). Le bloc «Consumption DHW» a pour fonction de «gérer» les débits d eau, celui de l eau froide entrant dans le ballon et celui de l eau chaude nécessaire dans le bâtiment. Un fichier excel avec les consommations prévues est en lien avec ce bloc. Intéressons-nous maintenant au bloc «well mixed tank, capacity = 250 L». Ce bloc prend en entrée, hormis l eau en entrée froide du ballon comme il vient d être précisé : le fluide en entrée de l échangeur du ballon, la température ambiante ainsi que la puissance fournie par une possible résistance électrique. Dans notre cas, cette dernière a été prise égale à 0. Une fois les calculs nécessaires effectués dans ce

71 71/97 bloc, nous obtenons en sortie la température du ballon (vecteur pour les différentes températures aux différents niveaux du ballon), les caractéristiques de l eau en sortie du ballon, et celles du tyfocor en sortie de l échangeur. 21. Annexe 21 : Régulation : bibliographie et modélisation Dans cette annexe, nous avons sélectionné, parmi les indications de régulation présentes dans la bibliographie (cf. annexe 8), celles utiles à notre modélisation. Les textes encadrés reprennent ces indications bibliographiques ; nous avons à chaque fois indiqué en-dessous ce qui a été créé dans le modèle pour y parvenir. Hypothèses de travail : ne sont pas pris en compte dans notre modèle : - le dégivrage - le chauffage auxiliaire - le puits canadien - les calculs de pression - les filtres 21.1 Régulation de la PAC Fonctionnement classique La température de départ de la PAC (c est-à-dire la température du tyfocor en sortie de PAC) est limitée à 60 C. Si la température en sortie de PAC dépasse les 60 C, alors la PAC devra s arrêter. Pour cela, nous mettons en place un piquage «T_depart_PAC» sur le circuit de tyfocor en sortie de la PAC. Dans le bloc «Commande de la PAC», puis «vérification température de départ min et max», nous plaçons donc la condition suivante : si «T_depart_PAC» est inférieure à 60 C, alors la valeur de la commande sera celle calculée normalement ; sinon, elle sera forcément égale à 0 (PAC à l arrêt) (figure 15). Figure 59 : contraintes de température min et max en sortie de PAC Deux réglages permettent d autre part d éviter des variations marche/arrêt trop brusques : - le compresseur, lorsqu il s éteint, ne doit pas être remis sous tension avant au minimum 10 min (à régler entre 20 s et 30 min) - lorsque la PAC est mise en fonctionnement, elle ne doit pas être mise hors circuit avant au minimum 2 min (à régler entre 2 et 30 min). Il s agit là de mettre en place un anti court cycle pour lequel la durée minimum d arrêt et de fonctionnement n est pas la même. Il ne s agit donc pas d un anti court cycle classique que l on utilisera par exemple pour les pompes. Lorsque la commande est égale à 0, il ne faut pas qu elle varie avant 10 min minimum (appelé dt0). Lorsqu elle est égale à 1 ou 2, sa valeur ne doit pas varier avant 2 min (appelé dt1).

72 72/97 On met donc en place cet anti court cycle après le bloc où la commande a été calculée normalement et avant l enregistrement de la valeur finale que prend la commande de la PAC («com_pac»). Un chronomètre (figure 16) permet de calculer le temps écoulé ; il est remis à 0 grâce au bloc «reset» lorsque la commande en sortie a varié. Selon si la valeur de la commande en sortie est 0 ou non, on attend respectivement dt0 ou dt1 avant de permettre à la commande en sortie de varier à nouveau (bloc «détermination de la valeur de la commande», figure 16). Lorsque le temps calculé par le chronomètre atteint dt0 (resp. dt1), alors la commande en sortie prend la valeur demandée en entrée ; celle-ci peut être différente (alors il y a remise à 0 du temps) ou non (il n y a alors pas de remise à 0 du temps, la commande en sortie suivra la variation suivante de la commande en entrée). Figure 60 : niveau supérieur du bloc de l anti-court cycle de la PAC Dans le circuit de la PAC, la température maximale du fluide frigorifique est de 65 C, la limite basse de - 15 C. Etant donné la modélisation utilisée (interpolation de points de fonctionnement), nous n avons pas accès aux valeurs de température du fluide frigorifique. Nous n avons par conséquent pas pu mettre en place ces contraintes Dégivrage Le dégivrage est déclenché lorsque la différence de température entre l air extrait (a priori en sortie de l évaporateur) et l évaporateur dépasse une valeur réglée, en général 18K (entre 0.5 et 30 K). En effet, le givre crée une résistance thermique qui augmente la différence de température au niveau de l échange de chaleur ; si cette différence devient importante (ici 18K), c est qu il y a trop de givre, il est donc nécessaire de dégivrer l évaporateur. Le temps pendant lequel la PAC dégivre activement l évaporateur doit être fixé ; il est pris de façon classique égal à 5 min (à régler entre 30 s et 20 min). Après un dégivrage, la PAC doit fonctionner pendant un laps de temps minimum avant tout nouveau dégivrage ; cette durée de fonctionnement minimum est prise égale à 20 min (à régler entre 0 et 120 min). Nous ne prenons pas en compte le dégivrage dans notre modèle Réversibilité Lorsque le fluide change de sens (pour passer du mode «chauffage» au mode «refroidissement» ou inversement), un laps de temps doit être respecté pendant lequel la PAC reste éteinte. On prendra comme valeur 30 s (à régler entre 10 s et 1min40). Cette indication n étant pas très claire (le compresseur s arrête-t-il? Nous avons cependant vu ci-dessus que le temps d arrêt minimum du compresseur est de 10 min ; pourquoi la valeur ici est-elle 30 s? N estce pas en contradiction?) et n influant que très peu sur les calculs (le pas de temps de calcul étant de 60s, le temps d arrêt de 30 s n est pas significatif), nous avons donc choisi de ne pas modéliser cette contrainte Régulation du chauffage électrique Température de départ maximale La température maximale de départ du chauffage électrique (température du tyfocor en sortie du chauffage électrique) est fixée à 65 C (valeur comprise entre 5 et 75 C).

73 73/97 Nous faisons l hypothèse que, lorsque la température en question dépasse 65 C, alors le chauffage électrique sera éteint. De la même manière que pour la PAC, nous mettons en place un piquage «T_depart_chauff_elec» en sortie du chauffage électrique, sur le circuit de tyfocor (cf. figure 17). Figure 61 : piquage de «T_depart_chauff_elec» en sortie du chauffage électrique Dans le bloc «Commande du chauffage électrique», nous plaçons donc la condition suivante : si «T_depart_chauff_elec» est inférieure à 65 C, alors la condition est respectée, la commande sera celle calculée normalement (valeur 1, 2 ou 3) ; sinon, elle sera forcément égale à 0 (chauffage électrique arrêté). Remarque : un problème d oscillation peut apparaître puisqu il est possible que dès que le chauffage fonctionne, la température de départ dépasse les 65 C. Le chauffage électrique sera alors sans cesse mis en route et éteint à cause de cette condition sans cesse respectée et non respectée. Ceci pourrait être évité si l on utilisait une régulation proportionnelle ou intégrale et non en TOR (tout ou rien) Seuil de démarrage Pour que le chauffage électrique se mette en route, il faut que la valeur de l intégrale (sur le temps) de la différence de température ambiante entre [celle de consigne moins l hystérésis] et [celle effective] dépasse un certain seuil. Cela implique que le chauffage électrique ne se mettra pas en route pour une faible variation de la température autour de la valeur de consigne ; au contraire, si la variation est importante et/ou sur une longue période, alors le chauffage électrique sera démarré. La valeur de seuil, à choisir entre 10 et K.min, est prise de façon standard égale à 300 K.min (= K.s) Le graphique ci-dessous représente cette intégrale : A : Température de consigne de la pièce B : hystérésis C : courbe de la température ambiante effective D : intégrale (en grisé) Figure 62 : représentation de l intégrale déterminant le seuil de démarrage du chauffage électrique Source : «notice» p 111 Nous nous occupons ici de déterminer quand le chauffage électrique se mettra en route dans le cadre du chauffage du bâtiment (le chauffage électrique pourra également se mettre en route pour chauffer l ECS). Nous avons donc mis en place le bloc «Régulation chauff elec pour air chaud» (dans «commande chauff elec pour ventilation par air chaud», lui-même dans «Commande du chauffage électrique») (cf. figure 19). En sortie de ce bloc, la valeur générée sera 1 si le chauffage doit être mis en route et 0 sinon. La valeur à intégrer sur le temps est deltat = (T_consigne_bat - hyst) - (T_sejour) avec hyst = 0.3, T_consigne_bat un paramètre du bloc «Commandes» et T_sejour la valeur effective dans le séjour (piquée en sortie de la maison Mozart). On vérifie tout d abord que le deltat est bien positif ; si tel est le cas, on utilise la valeur de l intégrale calculée normalement (on se trouve dans la zone grisée du graphique figure 18), sinon, la valeur de l intégrale est directement prise égale à 0 (on se trouve audessus de la zone grisée). Le calcul de l intégrale se fait ainsi : la valeur à intégrer sur le temps est deltat, et l intégrale est remise à 0 lorsque le deltat devient positif. Si la valeur de l intégrale est supérieure à 18000, alors le chauffage électrique est demandé (valeur de sortie : 1), sinon, il n est pas demandé (valeur de sortie : 0). Remarque : l intégrale continue donc d être calculée même lorsque deltat devient négatif après avoir été positif (lorsque T_sejour repasse au-dessus de T_consigne_bat hyst) ; la valeur de l intégrale devient donc inutilisable, c est pourquoi il est indiqué ci-dessus qu alors la valeur est directement prise égale à 0.

74 74/97 Figure 63 : niveau supérieur du bloc «Régulation chauff elec pour air chaud» Niveau (2, 4 ou 6 kw) Le niveau maximal de chauffage électrique doit être réglé ; de façon standard, le niveau 3 (6 kw) est choisi. Nous partons de l hypothèse que, une fois le niveau choisi, le chauffage électrique n est plus utilisé qu à ce niveau ou alors éteint (les niveaux inférieurs à celui choisi ne sont pas utilisés). Dans le modèle, nous appelons ce niveau le niveau N ; il est en paramètre du bloc «commande du chauffage électrique». Etant donné les valeurs de température que l on obtient dans le circuit de tyfocor, nous avons choisi non pas le niveau 3 mais le niveau 1 (2 kw). Lorsque le chauffage électrique est demandé (et la condition sur la température de départ respectée), alors la commande du chauffage électrique prend la valeur N ; sinon, elle prend la valeur Régulation du circuit interne Vanne 3 voies Comme cela a été expliqué dans le dossier, le tyfocor, après être passé par le condenseur de la PAC et par le chauffage électrique d appoint, peut ensuite passer dans l échangeur situé dans le ballon d ECS (en priorité) et/ou dans la batterie air/tyfocor. Trois cas de figure sont alors envisagés : - cas A : la température dans le ballon est trop faible par rapport à la consigne : tout le tyfocor passe alors au niveau du ballon, rien ne passe au niveau de la batterie air/tyfocor (priorité à l ECS) ; - cas B : la température de consigne de l ECS est atteinte, le tyfocor passe alors également dans la batterie air/tyfocor ; - cas C : la température dans le ballon est trop élevée par rapport à la valeur de consigne, tout le tyfocor passe alors uniquement par la batterie air/tyfocor, rien ne passe au niveau du ballon d ECS. L ensemble de cette régulation se fait à l aide de la vanne trois voies (fermeture/ouverture des différentes parties du circuit). Il semblerait qu il soit possible de réguler cette vanne 3 voies à l aide d une régulation PI. Remarque : dans l ensemble de ce paragraphe, les «cas A», «cas B» et «cas C» font référence aux valeurs des températures dans le ballon par rapport à la valeur de consigne, et non à une combinaison d ouverture des vannes Il est important de préciser tout d abord que cette régulation sera valable en dehors des périodes où l on souhaite refroidir la maison à l aide de la PAC en mode froid : le tyfocor ne peut en effet à la fois être chaud pour chauffer l ECS et froid pour refroidir l air de ventilation (cf. cas B). Comme cela est indiqué dans le dossier, nous avons décomposé la vanne 3 voies en 2 vannes sur lesquelles le tyfocor arrive : la vanne n 1 est celle reliée au circuit passant par la batterie air/tyfocor, celle n 2 reliée au circuit passant par l échangeur du ballon d ECS. A l intérieur du bloc «commande de la vanne 3 voies du circuit de tyfocor», nous avons donc 2 blocs distincts, un pour le calcul de la commande de la vanne n 1, et un pour le calcul de la commande de la vanne n 2. Pour chacune des vannes, si la commande vaut 0, cela signifie que la vanne est fermée, si elle vaut 1, qu elle est ouverte. Nous avons choisi de réguler ces vannes en TOR (tout ou rien), n ayant pas suffisamment d informations sur la régulation PI. Nous avons dû choisir les valeurs qui définissent chacun des cas (non indiquées dans la bibliographie) : celles-ci apparaissent ci-dessous et le graphique figure 20 récapitule les 3 cas. Voyons de plus près pour chaque cas si les vannes 1 et 2 sont ouvertes ou fermées (remarque : il existe d autres contraintes concernant l ouverture et la fermeture des vannes qui apparaissent dans le modèle) : - cas A : si la valeur dans le ballon est bien inférieure à la consigne (en dessous de T_consigne_ballon - 7 lorsque la température diminue, et jusqu à T_consigne_ballon lorsque la température augmente : les valeurs sont prises telles que cette fourchette corresponde à la mise en route de la PAC pour l ECS (cf )), alors

75 75/97 o vanne n 2 ouverte ; o vanne n 1 fermée ; - cas C : si la valeur dans le ballon est supérieure à la consigne (au-dessus de T_consigne_ballon + 7 lorsque la température augmente, et jusqu à T_consigne_ballon lorsque la température diminue), alors o vanne n 2 fermée ; o vanne n 1 ouverte ; - cas B : il s agit du cas intermédiaire (entre T_consigne_ballon et T_consigne_ballon 7 lorsque la température diminue, et entre T_consigne_ballon et T_consigne_ballon + 7 lorsque la température augmente) ; dans ce cas : o vanne n 2 ouverte ; o vanne n 1 ouverte ; Etant donné les valeurs des hystérésis choisies, ce cas intermédiaire correspond au cas où la mise en route de la PAC ou du chauffage électrique est demandée dans le cadre du chauffage du bâtiment mais pas pour l ECS : en quelque sorte, l ECS «profite» de l apport de chaleur demandé par le bâtiment. On comprend bien que, lorsque la vanne n 1 «demande» à être ouverte dans le but de refroidir l air («com_vanne1_air_frais = 1), ce cas ne peut pas voir les 2 vannes ouvertes, au risque de voir l ECS refroidie. Comme il vient d être préciser, dans ce cas B, ni la PAC ni le chauffage électrique ne fonctionnent dans le cadre du chauffage d ECS, il est alors logique d imposer : o vanne n 2 fermée (aucun intérêt à rester ouvert) ; o vanne n 1 ouverte (le bâtiment va pouvoir être refroidi). Figure 64 : graphique de la température de l ECS avec cas A, B et C Figure 65 : ouverture des vannes en fonction de la température de l ECS dans le cas où il n y a pas de demande de refroidissement (à gauche) et dans le cas où il y a demande de refroidissement (à droite). Pour la vanne n 1, ces commandes sont une «permission» d ouverture (bloc «permission d ouverture de la vanne n 1» puis bloc «ouverture selon ECS») ; la régulation est faite en fonction de la température dans le bâtiment. Pour la vanne n 2, il ne s agit non pas d une permission mais réellement d une régulation (bloc «calcul de la commande pour circuit vers le ballon d ECS»). Conséquence pour la vanne n 1 (récapitulatif) Qu il y ait une demande en air frais ou non, la vanne n 1 va pouvoir être ouverte et va devoir être fermée pour les mêmes conditions (cf. figure 22) : - ouverte dans les cas B et C - fermée dans le cas A

76 76/97 Figure 66 : structure du bloc «permission d ouverture de la vanne n 1» Conséquence pour la vanne n 2 (récapitulatif) Lorsqu il n y a pas demande en air frais, la vanne n 2 est (figure 23) : - ouverte dans les cas A et B - fermée dans le cas C Figure 67 : régulation de la vanne n 2 lorsqu il n y a pas de demande en air frais Lorsqu il y a demande en air frais, la vanne n 2 est (figure 24) : - ouverte dans le cas A - fermée dans les cas B et C. Figure 68 : régulation de la vanne n 2 lorsqu il y a demande en air frais Pompe du circuit interne La pompe du circuit interne de tyfocor peut être programmée en fonction de l heure de la journée. Nous ne modélisons pas cette possibilité. Après que la production de chaleur par la PAC ou le chauffage électrique ait été arrêtée, la pompe continue de fonctionner pendant une durée fixée à 2 min (à régler entre 10 s et 5 min). Nous partons de l hypothèse que c est lorsque les 2 sont arrêtés (PAC et chauffage électrique) qu alors la pompe s arrête 2 min plus tard. Afin de modéliser ceci, nous nous plaçons dans le bloc «commande de la pompe de tyfocor», puis «commande de la pompe de tyfocor sans anti court cycle» puis «commande pompe tyfocor cas PAC chauff elec arrêtés» (cf. figure 25). Ce dernier bloc génère en sortie une commande égale à 1 dans le cas où la pompe peut fonctionner et égale à 0 dans le cas où la pompe doit être arrêtée. Il comprend luimême 3 blocs :

77 77/97 - «indique arrêt pompe» : la valeur en sortie est 0 si à la fois la PAC et le chauffage électrique sont à l arrêt et 1 si soit la PAC, soit le chauffage électrique, soit les deux fonctionnent. Ainsi, lorsque la valeur en sortie passe de 1 à 0, cela signifie que la pompe du circuit de tyfocor devra s arrêter 2 min plus tard ; - «chronomètre» : intègre 1 au cours du temps (donc calcule le temps écoulé) ; la valeur de l intégrale est remise à 0 lorsque le reset diminue, c est-à-dire lorsque la valeur de sortie du bloc précédent passe de 1 à 0 ; le chronomètre va donc permettre de compter les 2 minutes en question ; - «détermination de la valeur de la commande» : si le temps est supérieur à 2 min, alors la valeur en sortie prend la valeur en entrée ; sinon, on garde la valeur en sortie inchangée. Figure 69 : structure du bloc «commande pompe tyfocor cas PAC chauff elec arrêtés» Régulation du circuit solaire Température maximale et débit La température maximale admise au niveau des capteurs solaires doit être réglée ; elle est prise en général égale à 125 C (à régler entre 100 et 300 C) ; lorsque cette valeur est dépassée, la pompe du circuit solaire est mise hors circuit. Cette température maximale admise est un paramètre du bloc «Commande de la pompe solaire», appelé «T_max_circuit_solaire». L une des conditions que pour la pompe fonctionne est que la température en sortie des capteurs «T_out_collector» soit inférieure à «T_max_circuit_solaire». La valeur de l hystérésis est prise arbitrairement égale à 4. Le débit, pris de manière standard égal à 100 l/h (valeur à choisir entre 10 et 500 l/h), doit être calculé en fonction du rendement et des pertes de charge du circuit. Sa valeur permettra de calculer la production solaire. Puisqu il ne nous est pas possible de déterminer le débit (manque d informations), nous prenons la valeur standard, 100 l/h. Nous connaissons la masse volumique du tyfocor, g/cm3, nous pouvons donc en déduire le débit massique correspondant : Qm = kg/s. C est ce débit que l on impose au niveau de la pompe du circuit solaire (bloc «capteurs solaires», nous ne sommes pas ici dans le bloc «commandes»). Remarque : la préparation d ECS sur l installation solaire est garantie indépendamment du mode d exploitation (chauffage, refroidissement, etc.). Nous verrons plus loin que l apport de chaleur par le circuit solaire est prioritaire, et que la régulation utilisée pour ce faire est indépendante du mode d exploitation.

78 78/ Commande de la pompe solaire Le graphique ci-dessous représente la façon dont la pompe est régulée : A : différence de température entre celle indiquée par le capteur de température situé après les capteurs solaires et celle du capteur de température situé en bas du ballon d ECS B : hystérésis de démarrage de la pompe C : hystérésis d arrêt de la pompe D : durée de fonctionnement de la pompe E : Point de démarrage du fonctionnement de la pompe F : point d arrêt du fonctionnement de la pompe Figure 70 : hystérésis du fonctionnement de la pompe solaire Source : «notice» p 99 La valeur de l hystérésis de démarrage est prise ici égale à 7K (la température mesurée au niveau des capteurs doit être supérieure de 7K à celle mesurée dans le ballon pour que la pompe se mette en route) (valeur à régler entre 3 et 20 K). La valeur de l hystérésis d arrêt est ici égale à 3K (valeur à régler entre 1 et 7 K). Ceci est donc la régulation à proprement parler de la pompe solaire. On s intéresse pour cela aux deux températures suivantes : - température en sortie des capteurs (T_out_collector) - température effective en bas du ballon d ECS (T_tank_bas) Nous utilisons un «on/off controller», assez souvent utilisé dans l ensemble de notre modèle (cf. figure 27). Détaillons ici la façon dont il fonctionne (il est nécessaire de bien décomposer le fonctionnement afin de ne pas s embrouiller). En entrée, nous avons T_1 = T_out_collector et T_2 = T_tank_bas. Dans notre cas, nous choisissons en paramètre du bloc «T_1 > T_2». En principe, globalement (outre les modifications dues aux hystérésis), la valeur générée par le bloc sera 1 si en effet T_1 > T_2 et 0 dans le cas contraire. Figure 71 : utilisation d un «on/off controller» pour la commande de la pompe solaire Relay Figure 72 : structure du bloc «on/off controller» Allons voir dans le bloc la façon dont il fonctionne, ce qui a son importance puisque c est à ce niveau qu il faut régler les valeurs des hystérésis. Le choix du paramètre détermine la valeur de «action» (cf. edit mask). Nous avons choisi «T_1 > T_2», qui est le premier paramètre, «action» vaut donc 1. Cependant, il y initialisation (cf. edit mask) : «action = action 1». Dans notre cas, «action» vaut finalement 0. «action» est utilisé au niveau d un «switch», dans notre cas nous calculerons donc T_2 T_1 (et non T_1 T_2). Globalement, nous voulons que T_2 T_1 soit négatif pour que la commande soit égale à 1. C est alors au niveau du «relay» (figure 28) que tout se fait ; la valeur en entrée est T_2 T_1 = T_tank_bas T_out_collector. Prenons par exemple T_tank_bas = 50 C. Voyons comment la valeur de sortie évolue en fonction de T_out_collector (selon les paramètres rentrés, cf. figure 29) :

79 79/97 - T_1 = 43 C (en augmentation) : T_2 T_1 = = 7 ; étant positif, on est «ON» d après le relais, la valeur de sortie est donc 0 (en effet, si la température en sortie de capteurs est de 43 C par rapport à une température en bas du ballon de 50 C, la pompe solaire ne doit pas fonctionner) - T_1 = 53 C (en augmentation) : T_2 T_1 = = -3 ; étant «ON», nous n avons toujours pas atteint le «switch off point» qui est égal à -7, nous restons «ON» ; la valeur de sortie est donc 0 - T_1 = 61 C (en augmentation) : T_2 T_1 = = -11 ; nous avons dépassé le «switch off point», nous devenons donc «OFF», la valeur de sortie est 1 (en effet, si la température en sortie de capteurs est de 61 C par rapport à une température en bas du ballon de 50 C, la pompe solaire doit fonctionner si possible) - T_1 = 55 C (en diminution) : T_2 T_1 = = -5 ; étant «OFF», nous n avons toujours pas atteint le «switch on point» qui est égal à -3, nous restons «OFF» ; la valeur de sortie est donc toujours1 - T_1 = 52 C (en diminution) : T_2 T_1 = = -2 ; nous avons dépassé le «switch on point», nous devenons donc «ON», la valeur de sortie est 0. Figure 73 : paramètres du «relay» Commande de la pompe solaire deuxième façon plus complexe Il semble exister une autre façon de réguler la pompe solaire, mais plus complexe. Le graphique cidessous résume la régulation mise en place : globalement, tant que la différence de température n a pas atteint 7K (valeur choisie dans ce cas), la pompe se met en route par intermittence pour des différences de température plus faibles. Des durées minimales de fonctionnement et d arrêt de la pompe sont alors à régler. Pour plus de détails, se reporter à la «notice» p 100. Figure 74 : fonctionnement de la pompe solaire (plus complexe) Source : «notice» p 100 Nous ne prenons pas en compte cette façon de réguler Régulation de l ECS Pour le chauffage de l ECS, l objectif est de garantir la priorité au chauffage solaire par rapport à l utilisation des autres sources de chaleur. Pour garantir la priorité au chauffage solaire, voici ce que nous avons mis en place : quelles que soient les commandes déterminées normalement, si «com_pompe_solaire» = 1 (c est-à-dire que toutes les conditions sont respectées pour qu elle fonctionne) alors la vanne n 2 de la vanne 3 voies va se fermer pour laisser l ECS être chauffée grâce aux apports solaires, tandis que la vanne n 1 aura la possibilité d être ouverte.

80 80/97 Valeur de la commande déterminée normalement Figure 75 : priorité au chauffage solaire ; impact sur la commande de la vanne n Réglage de la température maximale Par sécurité, la température dans le ballon ne doit pas excéder une certaine valeur, fixée à 60 C (à régler entre 20 et 80 C). Lorsque la température dans le ballon dépasse cette valeur, on fait l hypothèse qu alors la vanne 3 voies se ferme du côté du ballon d ECS (vanne n 2) et que la pompe du circuit solaire s arrête également. - arrêt de la pompe solaire Il s agit d une condition supplémentaire dans le bloc «commande de la pompe solaire». La valeur de la commande vaudra forcément 0 si la valeur de la température en haut du ballon, «T_tank_haut», est supérieure à celle maximale admissible, «T_limite_ballon_haut». - fermeture de la vanne n 2 Au niveau de la vanne n 2, nous ajoutons donc un cas particulier (comme pour le cas où la pompe solaire fonctionne), où, si la valeur de la température en haut du ballon, «T_tank_haut», est supérieure à celle maximale admissible, «T_limite_ballon_haut», alors la commande de la vanne n 2 sera égale à 0, quelle que soient les commandes déterminées normalement ; il est en effet nécessaire de ne plus chercher à chauffer l ECS, celle-ci étant déjà trop chaude. Ceci va également avoir un impact sur la vanne n 1 : en effet, si la vanne n 2 est forcément fermée, alors la vanne n 1 pourra être ouverte, pour permettre de chauffer le bâtiment si besoin par exemple (cf. figure 32). Figure 76 : permission d ouverture de la vanne n 1 dans le cas où la température dans le ballon d ECS est supérieure à la température maximale admissible Profil de soutien Un «profil de soutien», représenté sur le graphique ci-dessous par la zone grisée «E», fixe jusqu à quelle valeur la température moyenne de l ECS peut diminuer sans que l eau ne soit réchauffée à l aide de la PAC ou du chauffage électrique, et ce en fonction de l heure de la journée. Le profil est défini par deux paramètres : - l heure où la température dans le ballon est la plus élevée (ici 18h), - la hausse de température par heure (ici 5 K/h) (à régler entre 1 et 100 K/h). Les paramètres sont choisis de telle sorte que le réchauffage par la PAC ou par le chauffage électrique soit utilisé seulement en fin d après-midi. De cette façon, les capteurs solaires sont utilisés de façon optimale (sous des conditions climatiques d Europe centrale). Pour des zones climatiques plus froides, il peut être intéressant de régler le coefficient d augmentation de température par heure à une valeur inférieure à 5 K/h.

81 81/97 A : température moyenne dans le ballon B : heure de la journée C : tracé des températures moyennes dans le ballon avec offre solaire favorable D : tracé des températures moyennes dans le ballon avec offre solaire défavorable E : «profil de soutien» F : utilisation d ECS G : point «Speicher warm um» (température maximale) H : hausse de la température par heure (5 K/h) Figure 77 : représentation du «profil de soutien» pour le chauffage de l ECS Source : «notice» p 103 Dans le cas où l offre solaire est favorable (C), la température moyenne dans le ballon n intercepte pas le profil de soutien, la PAC n est donc pas nécessaire ; on remarque d ailleurs que le profil de la température dans le ballon suit globalement celui du profil de soutien (au niveau de la pente), cela montre donc que le profil est bien choisi. Au contraire, dans le cas où l offre solaire est défavorable (D), la PAC est utilisée pour réchauffer l eau. On remarquera que la température dans le ballon descend dans cet exemple jusqu à 20 C. Une fonction additionnelle permet de s assurer que les germes présents dans l eau soient tués. Il s agit de réchauffer une fois par semaine l eau du ballon à 60 C. Si aucun capteur solaire n est connecté à l UC, le «profil de soutien» garantit que le ballon d EC est chauffé une fois tous les jours complètement. Il serait d ailleurs peut-être judicieux dans ce cas de déplacer le profil dans les heures matinales (si l électricité est moins chère par exemple). Nous n avons pas pris en compte ce «profil de soutien» dans notre modélisation ; nous nous sommes contentés d une valeur de consigne constante pour le ballon (50 C), dont la régulation est expliquée plus loin Rôle tampon du ballon Dans le cas où la production d énergie par la PAC est supérieure à la demande d air chaud soufflé, la chaleur excédentaire est fournie au ballon d ECS (rôle tampon). Une température minimale du ballon d ECS doit dans ce cas être définie afin d éviter que, lorsque la chaleur se décharge (transfert de chaleur du ballon d ECS à l air chaud), la température du ballon ne diminue trop fortement. Cette température est à régler entre 10 et 60 C, la valeur standard étant 37 C. Cela étant très complexe à mettre en place et de plus pas très clair (prend-on en compte les 37 C ou alors le profil de soutien? Comment l unité se «rend-elle compte» qu il s agit d une décharge? Où intervient alors la température de consigne (50 C dans notre cas)?), nous n avons pas implanté cela dans notre modèle.

82 82/ Régulation de la PAC et du chauffage électrique pour l ECS Le graphique ci-dessous représente la façon dont la PAC et le chauffage électrique sont mis en route et arrêtés selon la température de l ECS. Figure 78 : représentation du fonctionnement de la PAC et du chauffage électrique pour chauffer l ECS Source : notice p 106 La régulation se base donc sur la valeur de la température effective dans le ballon comparée à celle de consigne. Lorsque la température dans le ballon diminue, ce sera tout d abord la PAC qui va être mise en route (D) : l hystérésis est de 7K par rapport à la valeur de consigne (à régler entre 1 et 10K). Si la température continue de diminuer malgré tout, le chauffage électrique va alors également s allumer (E) : l hystérésis est de 10K (à régler entre 2 et 30K). Lorsque la température va augmenter, ce sera le chauffage électrique qui s arrêtera en premier lieu (F), puis la PAC lorsque la température aura atteint la température de consigne (G). Remarque : il est possible de choisir si oui ou non on souhaite que le chauffage électrique intervienne. Dans la partie «régulation du circuit interne vanne 3 voies» ( ), nous avons expliqué que les valeurs de l hystérésis concernant l ouverture exclusive de la vanne n 2 avaient été choisies afin de coïncider avec la mise en route de la PAC en vue du chauffage de l ECS. Ceci se retrouve sur le graphique ci-dessus : la période de fonctionnement de la PAC pour l ECS (H sur le graphique) est la même que celle de l ouverture exclusive de la vanne n 2. Ainsi, lorsque la PAC ou le chauffage électrique fonctionnent pour le chauffage de l ECS, nécessairement la vanne n 2 est ouverte et la n 1 fermée. Attention, cela est vrai sauf lorsque la pompe solaire fonctionne (la vanne n 2 est alors fermée priorité à l apport solaire et la vanne n 1 peut être ouverte). C est pourquoi il sera nécessaire d ajouter une condition à la régulation proposée par le graphe ci-dessus : la vanne n 2 doit être ouverte. - régulation de la PAC A : température de consigne de l ECS B : hystérésis de démarrage de la PAC C : hystérésis de démarrage du chauffage électrique D : démarrage de la PAC E : démarrage du chauffage électrique F : arrêt du chauffage électrique G : arrêt de la PAC H : durée de fonctionnement de la PAC K : durée de fonctionnement du chauffage électrique Nous nous plaçons dans le bloc «commande de la PAC», puis «commande PAC pour chauffage», puis «commande PAC pour ECS». Nous avons alors 2 blocs (figure 35). Figure 79 : structure du bloc «commande PAC pour ECS» Le premier, «CONDITION de fonctionnement de la PAC pour ECS», indique si oui ou non la vanne n 2 est ouverte, et donc si la PAC peut être allumée en vue du chauffage de l ECS.

83 83/97 Le deuxième, «détermination de la commande de la PAC pour l'ecs (REGULATION)», traduit la partie du graphique ci-dessus correspondant à la PAC ; la mise en route de la PAC est demandée lorsque la température effective en haut du ballon est globalement inférieure à la température de consigne (delta de 7K lorsque la température diminue et de 0K lorsqu elle augmente). - régulation du chauffage électrique Nous nous plaçons dans le bloc «commande du chauffage électrique», puis «commande chauff elec pour ECS». De la même manière, nous avons une condition (la même, la vanne n 2 doit être ouverte), et une régulation (valeurs des hystérésis égales à -10 et -7 au lieu de -7 et 0 pour la PAC) Régulation de la ventilation Ventilateurs d air extrait et d air de ventilation Le débit de changement d air de base se calcule en fonction du volume du bâtiment. Un débit standard est 150 m 3 /h. Trois réglages sont alors possibles : - 70% (réduit) - 100% (normal) - 130% (fête) Ces débits sont programmés en fonction de l heure de la journée. Nous décidons d utiliser les débits suivants : - débit réduit = kg/s (environ 140 m3/h) - débit max = kg/s (environ 230 m3/h) qui correspondent à une ventilation correcte de la maison MOZART dans le cadre des normes françaises. On utilise pour la régulation des débits un modèle développé au CSTB, qui prend en compte le type de bâtiment, et l occupation selon l heure de la journée, et définit ainsi si le ventilateur doit fonctionner en débit important (commande = 2) ou à débit réduit (commande = 1) Ventilateur du circuit du puits canadien L air arrivant du circuit du puits canadien a pour rôle d assurer un débit minimum au niveau de l évaporateur de la PAC et d avoir de meilleures performances. N ayant pas d informations concernant sa régulation, nous avons choisi de faire fonctionner le ventilateur à débit réduit By-pass pour le dégivrage au niveau du récupérateur de chaleur Nous avons vu plus haut qu il est nécessaire d effectuer des dégivrages au niveau du récupérateur de chaleur. Pour ce faire, l air neuf by-pass le récupérateur, tandis que l air vicié, de température plus élevée (aux alentours de 20 C), continue de passer dans le récupérateur et contribue ainsi à un dégivrage rapide. Le temps de dégivrage standard est de 5 min, mais peut être choisi entre 1 et 30 min. La température minimum pour l air de ventilation sera fournie par la PAC, à travers la batterie air/tyfocor. Le dégivrage a lieu lorsque la perte de charge dans l échangeur de chaleur contre courant (due au givre) est devenue si importante que le ventilateur n arrive plus à atteindre le débit requis. Il est de plus nécessaire de prévoir un temps minimum entre 2 dégivrages ; celui-ci est généralement pris égal à 15 min (entre 1 min 40 s et 333 min 20 s). Remarque : dans les documents étudiés, la convention suivante a été prise : - position 0% indique qu il y a récupération de chaleur, - position 100% indique que le by-pass est utilisé, il n y a pas de récupération de chaleur. Nous ne prenons pas en compte le dégivrage dans notre modèle.

84 84/ Régulation du chauffage par air chaud La température maximale de l air soufflé, réglable entre 25 et 65 C, est choisie égale à 60 C. Cela semble en contradiction avec une autre source qui stipule 52 C (cf. principes de fonctionnement chauffage par air chaud ( du rapport)). N utilisant pas de régulation PI, la contrainte d une température maximale de ventilation risquerait d entrer un arrêt/marche incessant dans le circuit du tyfocor. Nous avons par conséquent choisi de ne pas tenir compte de cette contrainte dans notre modèle. Nous pouvons cependant remarquer que l air de ventilation est rarement supérieur à 60 C dans nos simulations, même sans mettre en place cette contrainte. Remarque : de même, la température minimale de ventilation est de 18 C ; une régulation PI serait nécessaire pour éviter des oscillations. La demande de chauffage pour le bâtiment est déclenchée par la différence entre la température ambiante effective (capteur, attention d ailleurs à bien le positionner) et la température de consigne. Le graphique ci-dessous représente le domaine de régulation pour l air ambiant. L hystérésis est prise ici égale à 0.3K, mais peut être réglée entre 0.1 et 2 K. Lorsque la température augmente et dépasse la valeur de consigne + 0.3, le chauffage est arrêté. Au contraire, lorsque la température diminue et passe sous la valeur de consigne - 0.3K, alors le chauffage redémarre. A : température de consigne de la pièce B : domaine de régulation C : domaine possible de régulation Figure 80 : domaine de régulation de la température de consigne de la pièce Source : notice p 111 Par «chauffage», nous faisons l hypothèse qu il s agit ici du fonctionnement de la PAC avec un débit non nul de tyfocor au niveau de la batterie air/tyfocor. En effet, en ce qui concerne le chauffage électrique (deuxième moyen de chauffer le bâtiment), sa régulation a déjà été explicité et utilise la valeur d une intégrale et non simplement celle d une hystérésis. Ainsi, la régulation proposée par le graphique ci-dessus entraîne une régulation à deux endroits différents : au niveau de la PAC, pour qu elle fonctionne, et au niveau de la vanne n 1 de la vanne 3 voies, pour qu elle soit ouverte. Remarque : le débit de tyfocor au niveau de la batterie air/tyfocor, nul ou non, n influe pas sur le débit d air de ventilation, régulé indépendamment. - Régulation au niveau de la vanne n 1 Cette régulation intervient dans le bloc «Commande de la vanne 3 voies du circuit de tyfocor», puis «commande vanne 1» puis «régulation pour chauffage par air chaud». En sortie de ce bloc, la valeur générée est 1 si l ouverture de la vanne est demandée pour le chauffage par air chaud, 0 sinon. A l intérieur du bloc (figure 37), on utilise un «on/off controller» qui renvoie 1 si la température dans le séjour (T_sejour) est inférieure à la température de consigne (T_consigne_bat), avec une hystérésis égale à 0.3 (que ce soit pour l augmentation ou la diminution de la température). Figure 81 : structure du bloc «régulation pour chauffage par air chaud»

85 85/97 - Régulation au niveau de la PAC Cette régulation intervient dans le bloc «commande de la PAC», puis «commande PAC pour chauffage», puis «commande PAC pour air chaud». A ce niveau, nous voyons qu il y a en particulier (figure 38) : - une régulation : bloc «détermination de la commande de la PAC pour l'air chaud», il s agit exactement du même bloc que celui utilisé pour la vanne n 1 (cf. paragraphe ci-dessus) ; - une condition pour que la PAC soit mise en route dans le cadre du chauffage par air chaud : il faut que la vanne n 1 soit ouverte. Cela pourrait paraître redondant avec la régulation, mais ne l est pas : il est possible que la vanne n 1 soit fermée, par exemple si la température dans le ballon d ECS est très basse (priorité à l ECS) et que pourtant le chauffage du bâtiment soit demandé, avec demande de mise en route de la PAC ; cette condition empêche donc la PAC de fonctionner dans le cas où la vanne n 1 serait fermée. Figure 82 : structure du bloc «commande PAC pour air chaud» Si la puissance fournie par la PAC est insuffisante, lorsque les températures extérieures sont très basses par exemple, alors le chauffage électrique est mis en route (cf. «régulation du chauffage électrique», annexe ) Remarque : généralement, l intervalle de temps pendant lequel une moyenne de la température ambiante est formée est réglé à 1h Régulation du chauffage additionnel La pompe du circuit de chauffage additionnel est mise en route par l unité de contrôle : les périodes où ce chauffage fonctionne sont à régler, par exemple une demi-heure le matin et le soir. La température de départ du circuit (température du tyfocor en entrée de radiateur) est à régler entre 18 et 65 C ; elle est prise de façon standard égale à 45 C. Il est d autre part possible de choisir si oui ou non le chauffage additionnel a priorité sur le chauffage par air chaud. Le réglage standard est «non», c est-à-dire que le chauffage additionnel sera uniquement utilisé lorsque le chauffage par air chaud sera arrêté. Nous n avons pas pris en compte de chauffage additionnel dans notre modèle Régulation du refroidissement Comme nous l avons vu, il existe deux façons de diminuer la température ambiante du bâtiment l été : l utilisation du by-pass (passif) et celle de la PAC en mode refroidissement, qui refroidit l air de ventilation au niveau de la batterie air/tyfocor (actif).

86 86/ Utilisation du by-pass d été (au niveau du récupérateur de chaleur) - Condition pour que le by-pass soit activé L activation du by-pass n est logique en été que lorsque la température de l air neuf destiné à être ventilé est inférieure à la température de l air extrait. Ainsi, l air de ventilation sera plus frais que celui extrait, le bâtiment sera donc refroidi. On définit dans les paramètres de l UC la différence de température pour laquelle l activation du by-pass a lieu : la valeur standard est 0.5K (valeur à prendre entre 0.2 et 2K). Cependant, cette condition d activation du by-pass est nécessaire mais pas suffisante : en effet, quel serait l intérêt d amener de l air frais si la température dans le bâtiment était inférieure à la température de consigne? C est là qu intervient la régulation. Cette condition intervient dans le bloc «commande du bypass» puis «bypass refroidissement», puis «condition bypass pour refroidissement» (figure 39) ; ce dernier bloc génère 1 en sortie si la condition explicitée ci-dessus est respectée ([température de l air extérieur] inférieure à [température de l air extrait 0.5]) et 0 sinon. - Régulation Figure 83 : structure du bloc «condition bypass pour refroidissement» Le graphique ci-dessous représente la température pour laquelle le by-pass va être activé ou non. On voit que le by-pass est déclenché lorsque la température ambiante est égale à : Température_de_consigne + 3K [valeur à régler entre 1 et 8K] +0.3K [valeur à régler entre 0.1 et 2K]. Lorsque la température dans le bâtiment diminue, le by-pass sera désactivé (récupération de chaleur) lorsque la température ambiante est égale à : Température_de_consigne + 3K - 0.3K [valeur à régler entre 0.1 et 2K]. A : température de consigne de la pièce B : hystérésis de la température de la pièce C : température de fonctionnement du by-pass d été D : hystérésis du by-pass d été Figure 84 : Réglage du fonctionnement du by-pass d été Source : notice p 118 Le bloc «bypass refroidissement» comprend 2 blocs : un bloc de condition sur l activation de la bypass (cf. paragraphe ci-dessus), et un deuxième bloc, cette fois de régulation, auquel on s intéresse ici. Celuici, appelé «régulation bypass pour refroidissement» (figure 41), renvoie 1 si le bypass devrait être activé d après les températures dans le bâtiment, 0 sinon. Pour cela, un «on/off controller» est utilisé, avec la température dans le séjour comparée à la température de consigne + 3, avec une hystérésis de 0.3 aussi bien lors d une augmentation que lors d une diminution de la différence de température. Figure 85 : structure du bloc «régulation bypass pour refroidissement»

87 87/ Utilisation de la PAC en mode refroidissement La mise en route de la PAC pour refroidir l air fonctionne de la même façon que pour le by-pass. Le graphique ci-dessous montre que la PAC en mode refroidissement ne se mettra en route qu après l activation du by-pass : ceci est logique puisque la PAC consomme de l énergie, il faut donc chercher à minimiser son utilisation. Les valeurs standards sont les suivantes : - valeur moyenne de marche/arrêt : Température de consigne + 6K - valeur de l hystérésis : 0.3K Figure 86 : Réglage du fonctionnement de la PAC en mode refroidissement Source : notice p 119 La régulation proposée va être modélisée globalement de la même façon que ce qui a été fait pour le chauffage par air chaud : la régulation va avoir un impact à deux endroits différents : au niveau de la PAC, pour demander à ce qu elle fonctionne en mode refroidissement en fonction des températures dans le bâtiment, et au niveau de la vanne n 1 de la vanne 3 voies, pour qu elle soit ouverte au même moment. - Régulation au niveau de la vanne n 1 A : température de consigne de la pièce B : hystérésis de la température de la pièce C : température de fonctionnement du by-pass d été D : hystérésis du by-pass d été E : température de fonctionnement de la PAC en mode refroidissement F : hystérésis de la PAC en mode refroidissement Cette régulation intervient dans le bloc «Commande de la vanne 3 voies du circuit de tyfocor», puis «commande vanne 1» puis «régulation pour ventilation d air frais». En sortie de ce bloc, la valeur générée est 1 si l ouverture de la vanne est demandée pour la ventilation d air frais, 0 sinon. A l intérieur, nous nous intéressons au bloc «com en fonction de T_sejour» (figure 43), qui correspond à la régulation proposée par le graphique ci-dessus : un «on/off controller» est utilisé, qui renvoie 1 (demande d ouverture de la vanne n 1 pour que le tyfocor refroidi par le PAC puisse refroidir l air de ventilation au niveau de la batterie air/tyfocor) si la température dans le séjour (T_sejour) est supérieure à la température de consigne de climatisation, avec une hystérésis égale à 0.3 (que ce soit pour l augmentation ou la diminution de la température). - Régulation au niveau de la PAC Figure 87 : structure du bloc «com en fonction de T_sejour» Cette régulation intervient dans le bloc «commande de la PAC», puis «commande PAC pour air frais». A ce niveau, nous voyons qu il y a 2 blocs (figure 44) : - une régulation : bloc «détermination de la commande de la PAC pour l'air frais», il s agit exactement du même bloc que celui utilisé pour la vanne n 1 (cf. paragraphe ci-dessus) (la PAC demande à être mise en route si la température dans le séjour est élevée par rapport à la consigne) ; - une condition pour que la PAC soit mise en route dans le cadre du refroidissement de l air : il faut que la vanne n 1 soit ouverte. Cela pourrait paraître redondant avec la régulation, mais ne l est pas (cf. régulation du chauffage par air chaud).

88 88/97 Figure 88 : structure du bloc «commande PAC pour air frais» Remarque : si en sortie du bloc «commande PAC pour air frais» la valeur est 1 (ce qui signifie que la PAC devrait fonctionner en mode refroidissement), alors l utilisation d un «multiport switch» permet de faire prendre à la commande finale de la PAC la valeur 2, qui indique que l on imposera à la PAC de fonctionner en mode refroidissement Température minimale de départ de la PAC Lorsque la PAC est en mode refroidissement, une température minimale de départ doit être réglée. Elle est prise généralement égale à 16 C (à régler entre 5 et 25 C). Ceci permet d éviter la condensation au niveau de la batterie air/tyfocor (intérieur et extérieur) qui pourrait apparaître si la température du tyfocor était trop faible. A priori, si la température en question descend en dessous de la valeur réglée, la PAC s arrête. Tout comme pour la contrainte de température de départ maximale, nous ajoutons une contrainte de température minimale. Ces deux contraintes sont d ailleurs regroupées dans le bloc «vérification température de départ min et max». Si la température de départ est inférieure à celle maximale admissible et supérieure à celle minimale admissible, alors la valeur de la commande prendra celle calculée normalement, sinon la commande de la PAC vaudra nécessairement 0 (arrêt de la PAC) (cf. annexe ) Changement d air minimum Dans le cas du refroidissement, il est nécessaire de fixer un changement d air minimum, indépendamment de celui calculé pour une ventilation correcte du bâtiment. En effet, le deltat au niveau de la batterie air/tyfocor, élément où l air est refroidi lorsque la PAC en mode refroidissement est mise en route, est bien plus faible que dans le cas du chauffage. Afin que la puissance fournie à l air soit suffisante, il est donc nécessaire que le débit soit relativement important. Ce débit minimum est à régler entre 100 et 250 m 3 /h, et est pris de façon standard égal à 150 m 3 /h. Nous avons choisi, afin de permettre à l air d être refroidi au mieux lorsque cela est nécessaire, d imposer aux ventilateurs d extraction d air et de ventilation d air de fonctionner au débit maximal (niveau 2). Ceci apparaît dans le bloc «commande des ventilateurs sur air neuf et air extrait» (figure 45), dans lequel nous avons imposé que, si la commande de la PAC est égale à 2 (cas où l air va être refroidi activement), alors la commande du ventilateur vaut nécessairement 2 (débit maximal), quel que soit le débit déterminé en fonction de l heure, de l occupation, etc. Figure 89 : structure du bloc «commande des ventilateurs sur air neuf et air extrait»

89 89/ Période : été ou hiver La modification été/hiver a lieu automatiquement d après le calendrier : il s agit de la nuit du samedi au dimanche du dernier week-end de mars et d octobre. Nous créons pour cela une nouvelle commande, appelée «com_hiver», et déterminée dans le bloc «commande de chauffage et de non chauffage». Si le numéro du jour est inférieur à 90 (fin mars) ou supérieur à 300 (fin octobre), alors la commande vaudra 1, on se trouve en période de chauffage. L UC permet le réglage de la période de l année pendant laquelle on souhaite chauffer. En dehors de cette période, les locaux ne sont pas chauffés. Toute l année, le refroidissement est possible indépendamment de ce réglage. C est la commande définie ci-dessus (com_hiver») qui va servir à empêcher le chauffage du bâtiment en dehors de la période de chauffage. Ainsi, cette commande apparait dans les 2 blocs relatifs à la régulation de la PAC et du chauffage électrique dans le cadre du chauffage par air chaud (et non pour l ECS) : «commande PAC pour air chaud» et «commande chauffage électrique pour ventilation par air chaud». Lorsque la commande vaut 0 (nous ne sommes pas en hiver), alors nécessairement la valeur générée par ces deux blocs sera 0 : la PAC ou le chauffage électrique ne seront pas mis en route dans le cadre du chauffage du bâtiment. Il est important de noter que la commande n intervient pas ailleurs, ni pour le chauffage de l ECS, ni pour le refroidissement du bâtiment, tous deux indépendants de la période de l année 22. Annexe 22 : bloc «commandes» Figure 90 : Paramètres du bloc «commandes» Figure 91 : niveau supérieur du bloc «commandes»