Un système de chauffage encore plus performant en rénovation

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1 Un système de chauffage encore plus performant en rénovation Chauffage 1 Chauffage Evaluer : diagnostic énergétique d une installation existante (où part le combustible, notion de pertes et de rendement) Le surdimensionnement Méthode pour estimer les besoins Production, distribution, émission et régulation Améliorer une installation existante : que proposer et comment évaluer la rentabilité d un investissement Concevoir une nouvelle installation Quelle chaudière choisir? Quel combustible? Quel type brûleur privilégier? Hydraulique associée aux nouvelles chaudières : les pièges à éviter Quel type de régulateur et pourquoi 2

2 Eau chaude sanitaire Evaluer la performance d un système existant Concevoir la production d ECS Le dimensionnement et le confort? Quel type de générateur choisir? 3 Les pertes : installation de chauffage à eau chaude η global = η production x η distri. x η émission x η régul. 4

3 Les pertes : production 5 Les pertes : distribution 6

4 Les pertes : émission 7 Les pertes : régulation 8

5 Les pertes : ordre de grandeur Type d'installation : Rendements en % Production Distribution Emission Régulation Global Ancienne chaudière surdimensionnée, longue boucle de distribution % % % % % Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution % % 95 % 90 % % Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques, % 95 % % 95 % % 9 Les pertes des générateurs de chaleur Chaudière en coupe, lorsque le brûleur est en fonctionnement et lorsqu'il est à l'arrêt : une partie de l'énergie contenue dans le combustible consommé est directement perdue par la chaudière. 10

6 Les pertes des générateurs de chaleur : ordre de grandeur 11 Les pertes des générateurs de chaleur : ordre de grandeur Avec une chaudière haut rendement actuelle : de 92 à 94 % Limite acceptable : 88 % 1% de moins = 1% de surconsommation 12

7 Origines possibles d un mauvais rendement de combustion Un mauvais rendement de combustion d'une chaudière peut avoir pour origine : un brûleur inadapté à la chaudière un mauvais réglage du brûleur un encrassement de la chaudière un tirage trop important de la cheminée des entrées d'air parasites ou tout simplement une chaudière de conception trop ancienne 13 Évaluer le rendement de combustion On peut cependant émettre certaines réserves quant à l'interprétation que l'on peut faire de ce chiffre: Premièrement parce qu'il s'agit de la mesure effectuée juste après l'entretien. Le rendement obtenu est donc souvent meilleur que le rendement moyen durant la saison de chauffe (déréglage, encrassement progressif,...). Ensuite, la pratique montre que l'exactitude des chiffres repris sur la fiche peut parfois être discutée. Pour l'illustrer, voici deux exemples : La température ambiante reprise sur la fiche est presque toujours de 20 C. Il n'est pas rare de rencontrer une température de 35 C dans les anciennes chaufferies mal ventilées abritant des chaudières et des conduites mal isolées. La température des fumées est indiquée sur la fiche, alors que la buse d'évacuation ne comporte pas de trou pour permettre la prise de mesure. 14

8 Évaluer le rendement de combustion = calcul des pertes par les fumées selon la formule de Siegert η combustion = 100 k x (Δt( t / CO 2 ) K = constante selon le combustible Δt = t fumées t ambiante 15 Cas des chaudières gaz atmosphériques Plaque signalétique d'une chaudière gaz atmosphérique : le rendement utile nominal de la chaudière vaut 116 [kw] / 128,2 [kw] x 100 = 90 % 16

9 Puissance et rendement Puissance absorbée = puissance fournie ou débit calorifique Puissance nominale = plage de puissance mini et maxi inscrite sur la chaudière, transmise à l eau en marche continue Puissance utile = puissance adaptée aux besoins de l installation Rendement chaudière = Pn maxi / Qn maxi 17 Les pertes: une chaudière consomme plus d énergie qu elle n en restitue 1. qa + ql = pertes par les fumées 2. ql = imbrûlés (CO, suies) 3. Qph = parois humides 4. Qps = parois sèches (portes chaudière, trappe de ramonage, boîte à fumées qui montent en t au contact des gaz brûlés) 18

10 Améliorer le rendement de combustion: Nettoyage de la chaudière 1mm de suie = 50 C de température de fumées en plus et perte de rendement de 4 à 8 % Améliorer le réglage du brûleur (excès d air, CO 2, ) Modification de la régulation du brûleur (1 allure, 2 allures, modulant) : La modulation de la puissance n est pas une phase transitoire systématique avant la pleine allure ( = pas de passage automatique de la petite flamme vers la grande flamme au démarrage) Diminuer la puissance du brûleur Étanchéifier la chaudière Pose d un régulateur de tirage 19 Améliorer le rendement de combustion: Une «petite flamme sous un grand échangeur»! Le rendement de l échangeur est meilleur. La température d eau est plus faible, ce qui diminue les pertes par les parois. Un brûleur de faible puissance fonctionnant sans intermittence est préférable à celui d un brûleur de plus grande puissance fonctionnant par intermittence. 20

11 Réglages de combustion ordre de grandeur: 21 Pertes des chaudières à l arrêt 22

12 Pertes des chaudières à l arrêt : ordre de grandeur Sur les anciennes chaudières (1975 à 1985) avec un brûleur à ouverture permanente sur le foyer (ou chaudières gaz atmosphériques) : Pertes vers la chaufferie = 0,5% de Pn Pertes vers la cheminée = 1 à 1,5 % de Pn Comparativement avec chaudière équipée d un brûleur à air pulsé moderne : Pertes vers la chaufferie = 0,3% de Pn Pertes vers la cheminée = 0 % de Pn 23 Paramètres qui influencent les pertes à l arrêt Degré d isolation du corps de chauffe Température du fluide caloporteur Balayage thermique du foyer Chaudière en fonctionnement toute l année 24

13 Importance du surdimensionnement Augmentation des temps d arrêt et donc des pertes (diminution du facteur de charge de la chaudière : temps de fonctionnement du brûleur par rapport aux temps d utilisation de la chaudière) Taux de charge idéal = 30% 25 Importance du surdimensionnement Diminution des temps de fonctionnement du brûleur et augmentation des séquences de démarrage Comment repérer le surdimensionnement : Temps de fonctionnement du brûleur < 4 minutes Temps de fonctionnement annuel < 1000 à 1500 heures/an 40 kw 19 kw 26

14 Importance du dimensionnement : comment faire Oublier les 50 à 80 W/m³ - en moyenne les calculs tournent autour de 30W/m³ Détermination de la puissance basée sur le calcul de déperditions du bâtiment (calcul de l enveloppe détermination du U moyen) 27 Importance du dimensionnement : comment faire 28

15 Importance du dimensionnement : comment faire 29 Importance du dimensionnement : comment faire calcul basé sur la consommation actuelle et le taux de charge 30

16 Diminution des pertes à l arrêt Réisoler le corps de chauffe Modifier le raccordement électrique du brûleur Isoler la buse de cheminée Arrêter l irrigation des chaudières en absence de demande Remplacer le brûleur Remplacer le chaudière 31 Intérêt de remplacer une chaudière gaz existante par une chaudière gaz à condensation Etape 1 évaluer la performance de la chaudière actuelle par le calcul de son rendement saisonnier η sais = η utile / (1 + qe x (nt/nb - 1)) Où η utile = rendement utile (quand le brûleur fonctionne) soit rendement de combustion pertes vers l ambiance nt = nombre total d'heures de la saison de chauffe [h] (environ heures chauffage seul ou 8760h avec production d ECS) nb = nombre d'heure de fonctionnement du brûleur durant l'année [h] = consommation en kwh/an divisée par la puissance brûleur nb/nt = temps de fonctionnement du brûleur / temps d'utilisation de la chaudière, est aussi appelé facteur de charge de la chaudière 32

17 Coefficient de pertes à l arrêt ancienne chaudière gaz atmosphérique maintenue à t : 2% ancienne chaudière gaz atmosphérique à t glissante : 0,7% ancienne chaudière fuel maintenue à t (clapet brûleur ouvert à l arrêt) : 1,8 % ancienne chaudière fuel maintenue à t (clapet brûleur fermé à l arrêt) : 0,8 % ancienne chaudière fuel à t glissante (clapet brûleur ouvert à l arrêt) : 0,7 % ancienne chaudière fuel à t glissante (clapet brûleur fermé à l arrêt) : 0,3 % 33 Intérêt de remplacer une chaudière gaz existante par une chaudière gaz à condensation Etape 2 comparer au rendement saisonnier futur avec une chaudière à condensation on obtient 101 à 102 % sur PCI avec une chaudière traditionnelle : 92% Gain énergétique : Consommation actuelle * (1 rendement actuel / nouveau rendement) Voir feuille de calcul 34

18 Intérêt de remplacer une chaudière gaz existante par une chaudière gaz à condensation Etape 3 estimer l investissement et les temps de retour sur base de votre offre dépend du tubage de la modernisation de la régulation et de l hydraulique coût de raccordement au gaz si changement de combustible dépend de la chaudière choisie 35 Intérêt de remplacer une chaudière gaz existante par une chaudière gaz à condensation Exemple chaudière de 1978 de 35 kw qui consomme 3000 litres de mazout par an Chaudière maintenue toute l année à t et production ECS, clapet d air ouvert à l arrêt rendement de combustion : 85% pertes à l arrêt : 1,8 % (1% vers la cheminée et 0,8% vers la chaufferie) 36

19 Intérêt de remplacer une chaudière gaz existante par une chaudière gaz à condensation Exemple chaudière de 1978 de 35 kw qui consomme 3000 litres de mazout par an Chaudière maintenue toute l année à t et production ECS, clapet d air ouvert à l arrêt rendement de combustion : 85% pertes à l arrêt : 1,8 % (1% vers la cheminée et 0,8% vers la chaufferie) 37 Intérêt de remplacer une chaudière gaz existante par une chaudière gaz à condensation Exemple Rendement utile = 84 % Temps d utilisation = 8760 h Temps de fonctionnement de la chaudière : 3000 l * 10 kwh/l / 35 kw = 860 h Rendement saisonnier : 84% / [(1 + 0,018 * ((8760/860-1))] = 72 % Economie en combustible : 3000 l * ( 1-(72%/101%) = 860 litres de mazout ou de gaz soit 516 par an (0.60 litre de mazout ou m³ de gaz) Investissement compris entre 6500 et Temps de retour entre 5 et 10 ans (en fonction des primes) 38

20 Les pertes : performance de la régulation Trop d'installations anciennes ne possèdent encore aucune régulation : la température de l'eau dans la chaudière ou la position des vannes mélangeuses est modifiée manuellement en fonction de la saison. Il n'y a aucun réglage de la température ambiante, si ce n'est par l'ouverture des fenêtres. Cette situation est évidemment inacceptable. Si on part de rien, l'idéal serait de concevoir une régulation complète telle qu'on pourrait l'imaginer pour une nouvelle installation. Il faudra cependant être attentif au type de la ou des chaudières installées. Par exemple, peuvent-elles travailler à basse température ou encore fonctionner à débit nul? 39 Régulation : deux ojectifs θ Rappel : couper et optimiser la relance Intermittence gérée grâce à 2 outils automatiques : horloge ou optimiseur Un optimiseur permet de redémarrer «à la dernière minute»! 40

21 Régulation : impact énergétique Impact énergétique de la régulation 1 C de trop = 8% de surconsommation (par rapport à une consigne de 20 C) 41 Régulation : impact énergétique "Cela ne sert à rien de couper le chauffage durant la nuit, la chaleur économisée est repayée en début de journée suivante pour recharger les murs!" FAUX! 42

22 Régulation : impact énergétique consommation proportionnelle à la différence de température entre l intérieur et l extérieur minimiser cette différence de température 43 Régulation : impact énergétique ECONOMIE D ENERGIE Couper le chauffage fait chuter la température intérieure d autant plus vite que le bâtiment est peu inerte (a peu emmagasiné de chaleur). minimiser la température intérieure durant la coupure. 44

23 Régulation : impact énergétique Abaisser la consigne durant la nuit et en cas d absence = 5 à 25 % d économie Cela dépend de l inertie du bâtiment et du système de chauffage, et du temps de coupure 45 Régulation : impact énergétique Intérêt de l intermittence 46

24 θ Rappel : La vanne thermostatique θ Rappel : La vanne thermostatique 4 5 vanne thermostatique = régulation locale 48

25 θ Rappel : La régulation climatique La courbe de chauffe, via un régulateur dit "climatique", établit une correspondance entre les besoins de chaleur et la température de l'eau de chauffage. Le plus souvent, la grandeur la plus représentative des besoins est la température extérieure. 49 θ Rappel : la régulation climatique Mais plus le bâtiment est isolé, plus la température intérieure est le vrai témoin du besoin de chauffe (importance croissante des apports gratuits). 50

26 Déséquilibre hydraulique : importance de l équilibrage La cause de cette mauvaise répartition des débits (appelée déséquilibre) est l'inégalité des pertes de charge entre les différents chemins que peut prendre l'eau dans l'installation : les circuits les plus éloignés de la chaufferie présentent généralement des pertes de charge plus importantes que les circuits proches de celle-ci. Or l'eau étant "fainéante", elle préférera prendre le chemin le plus facile, c'est-à-dire où la résistance hydraulique (ou les pertes de charge) est la plus faible. 51 Evaluer la distribution 52

27 Evaluer la distribution : isolation des conduites Epaisseur minimale(en mm) du calorifuge ayant un lambda (W/mK) à 40 C indiqué en colonne Diamètre DN kmax en W/mK 0,02 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0, ,135 10,8 15,9 22,5 31,1 42,0 55,9 73,7 96,2 124,8 161,0 206,9 15 0,144 12,5 18,1 25,2 34,2 45,6 59,9 77,9 100,3 128,4 163,4 207,1 20 0,155 14,2 20,4 28,1 37,6 49,5 64,2 82,3 104,6 132,1 165,9 207,4 25 0,168 16,2 22,9 31,1 41,1 53,3 68,1 86,1 108,0 134,5 166,5 205,3 32 0,183 18,4 25,6 34,4 44,8 57,4 72,5 90,5 111,9 137,6 168,1 204,5 40 0,19 20,1 27,9 37,2 48,2 61,4 77,1 95,7 117,8 143,9 174,9 211,5 50 0,21 22,2 30,4 40,0 51,3 64,6 80,0 98,1 119,2 143,8 172,5 205,9 65 0,23 24,9 33,8 44,2 56,1 69,9 85,8 104,2 125,3 149,6 177,6 209,9 80 0,245 27,0 36,5 47,4 59,8 74,0 90,3 108,9 130,1 154,4 182,0 213, ,275 30,4 40,6 52,1 65,2 79,9 96,4 115,1 136,1 159,7 186,3 216, ,3 33,6 44,6 57,0 70,7 86,1 103,2 122,3 143,6 167,3 193,7 223, ,33 36,2 47,7 60,5 74,7 90,4 107,6 126,7 147,8 171,0 196,6 224, ,375 40,8 53,4 67,3 82,4 98,9 116,9 136,5 157,9 181,3 206,7 234, ,425 44,1 57,5 71,9 87,5 104,4 122,6 142,2 163,5 186,4 211,1 237, ,465 47,2 61,3 76,4 92,7 110,1 128,7 148,8 170,3 193,3 218,0 244, ,493 48,6 63,0 78,3 94,7 112,2 130,9 150,9 172,3 195,1 219,5 245, ,535 50,8 65,6 81,3 98,1 115,9 134,8 154,9 176,2 198,9 223,0 248,6 53 Evaluer la distribution : isolation des conduites Exigences minimales sur l isolation des conduits: Lieux d isolation : Locaux techniques, chaufferies, Faux-plafonds, banquettes des ventilo-convecteurs, gaines techniques, Tuyauteries dans les locaux chauffés mais soit desservant d'autres locaux que celui où elles passent soit desservant ce local et d'autres locaux que celui où elles passent Mais dans ces deux derniers cas, ce n est que si la longueur des conduits est importante par rapport au local (> 4m pour du DN40 et calcul d une longueur équivalente pour les autres diamètres) et si la circulation d eau n est pas interrompue lorsque le ou les émetteurs du local ne sont pas irrigués. Philosophie (surchauffe ) : ne pas chauffer inutilement par les tuyaux nus!! 54

28 Evaluer la distribution : surdimensionnement des pompes 55 Les pertes : émission Placer un isolant de 0,5 cm au dos des radiateurs sur un mur non isolé permet de gagner 10 à 15 litres ou m³ de combustible par an 56

29 Les pertes : émission 57 Concevoir une nouvelle installation de chauffage 58

30 Choix du combustible 59 Synthèse des avantages Choix du combustible Pour le gaz: Meilleur rendement grâce aux chaudières à condensation Émissions de CO2, NOX et SO2 moindres Pas besoin de stockage Suivi facile des consommations Pour le mazout: PCI plus élevé et prix négociable Disponible partout 60

31 Types de chaudières domestiques Chaudières gaz non condensantes atmosphériques Chaudière gaz à brûleur pulsé Chaudières gaz à condensation avec brûleur premix Chadières mazout basse t et à condensation 61 Types de chaudières domestiques : les chaudières atmosphériques Les chaudières gaz atmosphériques sont des chaudières dont le brûleur ne possède pas de ventilateur. Ces chaudières sont composées de rampes de brûleurs placées en dessous du foyer. L'aspiration d'air par le brûleur se fait naturellement par le gaz et les flammes. On parle de brûleur atmosphérique traditionnel quand une grande partie de l'air est aspirée au niveau de la flamme et on parle de brûleur à pré - mélange quand l'air est mélangé au gaz avant la flamme. Un coupe tirage (ouverture de la buse d'évacuation vers la chaufferie), placé à l'arrière de la chaudière annule l'influence du tirage de la cheminée sur la combustion en maintenant une pression constante à la sortie de la chaudière. 62

32 Types de chaudières domestiques : les chaudières atmosphériques Avantages - Le prix moindre. Une chaudière atmosphérique de conception "bas de gamme" coûte moins cher qu'une chaudière équipée d'un brûleur gaz pulsé. - L'absence de bruit. Une chaudière atmosphérique ne comportant pas de ventilateur est nettement moins bruyante qu'un brûleur pulsé. - La facilité de montage et de réglage. 63 Types de chaudières domestiques : les chaudières atmosphériques - Un rendement utile moindre. La gestion moins précise de l'excès d'air diminue le rendement utile des chaudières qui est voisin de % pour les nouvelles chaudières à prémélange et inférieur à 90 % pour les chaudières de conception plus ancienne, alors que l'on peut espérer un rendement de % avec une chaudière moderne à brûleur pulsé bien réglée. Exemple: Inconvénients En 2001, on trouve encore dans le catalogue de fabricants des chaudières atmosphériques de kw d'une ancienne génération dont le rendement utile est de 86,5 %! Si on estime leurs pertes à l'arrêt à 2 %, le rendement saisonnier d'une chaudière de ce type correctement dimensionnée est voisin de 60% Soit une surconsommation de 35 % par rapport à une chaudière moderne à brûleur pulsé et une surconsommation de 33 % par rapport à une chaudière atmosphérique moderne! 64

33 Inconvénients - Une production importante d oxydes d azote - Des pertes à l'arrêt plus importantes. Les chaudières purement atmosphériques (c'est-à-dire sans ventilateur) sont généralement parcourues à l'arrêt par un flux d'air continu provoquant des pertes par balayage. À titre de comparaison, les pertes à l'arrêt des chaudières à brûleur pulsé modernes sont de l'ordre de 0,1.. 0,4 %. 65 Les chaudières à foyer pressurisé Les chaudières à foyer pressurisé présentent un rendement supérieur aux chaudières atmosphériques car: - La pression au sein du foyer est supérieure à la pression atmosphérique et permet d y garder davantage les fumées, ce qui favorise l échange thermique - Les surfaces d échange sont supérieures - Elles sont équipées de brûleur à air pulsé Foyer borgne Triple parcours 66

34 Les chaudières à foyer pressurisé Élément d'une chaudière triple parcours en fonte. Les chaudières performantes de ce type possèdent un premier et un dernier élément (refermant le foyer) entièrement parcourus par l'eau, ce qui augmente les surfaces d'échange et diminue les pertes par parois sèches. 67 Les chaudières à foyer pressurisé 68

35 Avantages Pertes à l'arrêt diminuées Les pertes à l'arrêt des chaudières à brûleur pulsé modernes sont extrêmement faibles (de l'ordre 0,1... 0,4 % de la puissance nominale de la chaudière). Cela est la conséquence : - d'un degré d'isolation de la jaquette important, équivalent à une épaisseur de laine minérale de 10 cm enveloppant l'ensemble de la chaudière, - de la présence d'un clapet (motorisé, pneumatique,...) refermant l'aspiration d'air du brûleur lorsque celui-ci est à l'arrêt. 69 Avantages Rendement de combustion plus élevé Le rendement de combustion de ces chaudières est dépendant du choix du brûleur et de son réglage. Avec un brûleur finement réglé, un rendement de combustion de % est tout-à-fait possible dans les chaudières actuelles les plus performantes. Rendement saisonnier plus élevé Les faibles pertes à l'arrêt et la possibilité d'obtenir des rendements de combustion les plus élevés (sans condenser), font des chaudières à brûleur pulsé les chaudières les plus performantes dans le catégorie des chaudières dites «traditionnelles» - environ 92% 70

36 θ Rappel : chaudière à condensation υprincipe : chaudière classique la chaleur récupérée = PCI Formation Conseiller en Performance Energétique des Bâtiments 71 θ Rappel : chaudière à condensation υprincipe : chaudière à condensation : la chaleur récupérée = PCS Formation Conseiller en Performance Energétique des Bâtiments 72

37 θ Rappel : chaudière à condensation υrendement : Rem : courbe valable pour un taux d excès d air de 30%. 73 θ Rappel : chaudière à condensation Adaptation des circuits hydrauliques : Pas ok Ok! Mais pas d imposition réglementaire à ce niveau 74

38 Les chaudières à condensation: point de rosée 75 Intérêt énergétique d une chaudière à condensation Que rapporte une chaudière à condensation par rapport à une chaudière traditionnelle? Le gain énergétique réalisé grâce à une chaudière à condensation se situe à deux niveaux : 1.Condensation de la vapeur d'eau des fumées (pour une chaudière gaz, gain maximum de 11 % du PCI). On parle de gain en chaleur latente. 2.Diminution de la température des fumées grâce à l'augmentation de la surface d'échange (de C à.. 45 C..). on parle de gain en chaleur sensible. Pour comparer le rendement des chaudières à condensation et celui des chaudières classiques, il faut comparer leur rendement global annuel ou rendement saisonnier, qui prend en compte toutes les pertes de la chaudière (par les fumées, par rayonnement et d'entretien), en fonction de la charge réelle de la chaudière durant toute la saison de chauffe. Ce gain réel obtenu par une chaudière à condensation est difficile à estimer d'une manière générale car il dépend de la température d'eau qui irrigue la chaudière et qui est évidemment variable (elle dépend de la courbe de chauffe choisie et donc du surdimensionnement des émetteurs). 76

39 Intérêt énergétique d une chaudière à condensation Représentation du rendement utile (sur PCI) d'une chaudière gaz traditionnelle et d'une chaudière à condensation. Par exemple, avec une température d'eau de 40 C, on obtient des produits de combustion d'environ 45 C, ce qui représente des pertes de 2 % en chaleur sensible et des pertes de 5 % en chaleur latente (on gagne sur les 2 tableaux). Le rendement sur PCI est donc de : ((100-2) + (11-5)) / 100 = 104 % 77 Les bases de la condensation 78

40 La condensation dans les bâtiments existants Le surdimensionnement des anciennes installations permet un abaissement des t 79 Régulation : impact énergétique υzoom sur le bruleur 80

41 Les types de brûleur 1. Bruleur atmosphérique chauffe-bain au gaz, chauffe-eau, les chaudières au gaz naturel pour les particuliers (souvent),.. 2. Bruleur à air pulsé Par exemple, toutes les chaudières mazout sont équipées de bruleur à air pulsé. 81 PRINCIPE D'UN BRÛLEUR ATMOSPHÉRIQUE PRINCIPE D'UN BRÛLEUR À AIR PULSÉ L'air comburant est amené par un ventilateur. 82

42 PRINCIPE D'UN BRÛLEUR À AIR PULSE PRINCIPE D'UN BRÛLEUR PREMIX Le gaz est prémélangé avec l'air Le mélange est soufflé au travers d une surface d'accrochage (acier inoxydable, matière céramique, ) 83 Quelques liens utiles (primes) (articles et ouvrages sur le chauffage) 84