FICHE DE LECTURE DU PROJET DE FIN D'ETUDE

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1 Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE DU PROJET DE FIN D'ETUDE EVALUATION TECHNICO-ECONOMIQUE D'UNE SOLUTION DE CHAUFFAGE- CLIMATISATION PAR TERMINAUX A «DETENTE DIRECTE» TYPE DRV PAR RAPPORT A UNE SOLUTION CLASSIQUE UTILISANT EAU CHAUDE ET EAU GLACEE. Par Pierre-Yves WEITZ TUTEUR : Denis BURGER STRUCTURE D'ACCUEIL: Energies & Santé RESPONSABLE ENTREPRISE : Alain HULARD SEPTEMBRE 2012

2 1. Préambule à l'étude Le projet de fin d'étude proposé par Imhoff Energies & Santé intervient dans une logique de choix de solution. Nous allons comparer deux équipements génie climatique : l'un que nous appellerons classique qui est composé d'un groupe d'eau glacée et d'une chaudière gaz à condensation l'autre est la technologie DRV tritube. Dans cette étude, nous nous proposons de regarder à la fois le côté technique et mise en œuvre ainsi que le point de vue économique des deux solutions précitées. Il sera ainsi possible de conseiller le client et d'orienter ce dernier vers une solution plutôt qu'une autre en fonction de ses besoins avec à l'appui un comparatif budgétaire en coût global Description du DRV Les systèmes DRV contrôlent la température d'un local par production de froid et de chaud. Cette technologie est basée sur la détente directe d'un fluide frigorigène circulant dans un réseau fermé. On rencontre cette solution sous différentes dénominations : DRV (Débit de Réfrigérant Variable), qui est la terminologie française ; VRF (Variable Réfrigérant Flow) ou encore VRV (Volume Réfrigérant Variable). Un système DRV échange des calories entre deux milieux, l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Il est donc naturellement composé de deux unités (intérieure et extérieure) et d'un réseau de fluide frigorigène assurant le transport de ces calories ou frigories entre les deux modules. Actuellement, le fluide frigorigène le plus utilisé dans ces systèmes est le R410a. Dans le bâtiment, chaque pièce ou zone thermique dispose d'une ou plusieurs unités intérieures. Ces dernières ressemblent à si méprendre à des cassettes à eau glacée. De l'autre côté, l'unité extérieure est composée d'un ou plusieurs compresseurs munis d'un variateur de fréquence, d'une vanne quatre voies, d'un échangeur de chaleur et d'un ventilateur La solution DRV tritube ou à récupération d'énergie. Actuellement sur le marché, on rencontre deux technologies pour les DRV : le bitube et le tritube. Avec le bitube, toutes les unités intérieures raccordées à un même groupe extérieur sont dans un mode de fonctionnement identique (soit chauffage soit rafraichissement). En mode froid, le fluide frigorigène est liquide à l'aller et à l'état de vapeur au retour, le fluide s'est alors évaporé dans l'unité intérieure prélevant ainsi les calories de la pièce. L'inverse est réalisé en mode chauffage. Pour le tritube, les unités intérieures sont totalement indépendantes. La tuyauterie supplémentaire est utilisée pour permettre un transfert thermique d'une zone "chaude" vers une zone "froide". Une telle souplesse est issue d'une régulation électronique sophistiquée avec l'emploi de détendeurs électroniques et d'un bus de communication entre tous les équipements Mise en œuvre d'un DRV tritube. Outre l'installation des modules extérieurs et intérieurs, on doit également positionner des boîtiers de sectionnement ou PFD en amont des cassettes. Ces boîtiers vont répartir la haute et basse pression en fonction des besoins de l'unité intérieure. De plus on doit procéder à l'alimentation en puissance de ces trois organes. Enfin pour permettre la régulation de l'ensemble du système, un câble de communication relie l'ensemble des unités intérieures et extérieures. Et chaque équipement dispose de son adresse spécifique sur ce bus de communication. Au niveau de l'utilisateur, ce dernier va pouvoir sélectionner une consigne de température par le biais d'une télécommande filaire ou infrarouge. Pour le personnel de maintenance, de nombreuses fonctions d'auto-diagnostic sont intégrées pour aider à détecter l'origine d'une panne éventuelle. Tuteur : BURGER Denis Septembre 2012 n 2

3 Lors de la mise en œuvre d'un système DRV le constructeur est impliqué de la conception (détermination des diamètres des tuyauteries de la charge en fluide frigorigène) à la mise en service ( charge en fluide, démarrage du système, réglages) Avantages et inconvénients de la solution DRV tritube. Avantages Chauffage et rafraichissement au départ du même équipement. Puissance absorbée directement proportionnelle à la puissance frigorifique ou calorique nécessaire. Pas de local technique ni de cheminée. Faibles sections de tuyauteries, permettant l installation dans des bâtiments existants voir occupés en un temps limité. Ecologiquement propre, sans rejets polluants, CO2, poussières, fumées, etc Fonctionnement économique, sans fluide intermédiaire, sans consommateur corollaire tels pompes de circulation d eau, traceurs antigel, etc Grande souplesse d utilisation du système pouvant aller de la gestion individuelle par local à la gestion informatisée à distance. Le rendement énergétique très intéressant (COP supérieur à 3.7). Le système offre la possibilité de passer simultanément du mode froid au mode chaud. Faibles déperditions dues au transport. Possibilité de récupérer l énergie, et réaliser du transfert d énergie entre deux zones. Performant à charge partielle (en misaison). Délai de mise en œuvre réduit. Inconvénients Prix d investissement relativement élevé (surtout pour la solution la plus innovante en tritube). Le système DRV ne prend généralement pas en compte le traitement de l air (notamment l amené du débit d air neuf hygiénique). Existence d un réseau de fluide frigorigène dans tout le bâtiment (risque de fuite). De plus ces fuites ne sont pas simples à détecter. Réglementation future plus restrictive au niveau environnemental. Régulation sophistiquée (interprétation des pannes difficiles). La maintenance est généralement réalisée par le constructeur. En été, le EER est souvent inférieur à celui d une machine frigorifique. Pollution sonore et visuelle liées à la présence d unités extérieures. Nuisances sonores à l intérieur du bâtiment dues aux sectionneurs lors des passages des différents modes de fonctionnement. Précision de réglage de la température. Figure 1 : Tableau récapitulatif des avantages et inconvénients de la technologie DRV 3. Etude économique. Le coût global d'un solution résulte de la somme de l'investissement (prix de l'installation), du coût de la maintenance et de l'entretien, des frais liés au poste énergie et enfin des frais financiers. En premier lieu, des chiffrages d'installations fictives ont été réalisé à différentes puissances. Ces derniers permettent de comparer le prix des installations et les Tuteur : BURGER Denis Septembre 2012 n 3

4 temps de pose respectif des deux solutions étudiées. Ils ont également pour but de distinguer les postes les plus onéreux dans les deux cas Temps de pose. La part de main d'œuvre dans le coût total de l'installation est plus importante pour la solution classique que pour la solution tritube (18.3% pour le DRV contre 25.7% pour la solution classique). Ceci aura une conséquence sur le temps de pose global de l'installation. En effet, les installations DRV de moins de 600kW nécessitent moins d'heures de main d'œuvre et cette différence de temps de pose est d'autant plus accrue que l'installation est de faible puissance Prix de l'installation Figure 2 : Comparaison du coût de l'installation Installation DRV tritube Installation "classique" Prix de l'installation [euros HT] Puissance de l'installation [kw] Pour des puissances inférieures à 200kW, le DRV est bien positionné en terme de prix. Au delà de ce curseur, la solution "classique" chaudière gaz à condensation et groupe d'eau glacée est à privilégier. En effet le coût d'une chaudière et d'un groupe d'eau glacée est important, mais sa progression de prix est plus faible en fonction de la puissance. En revanche les modules DRV ont un prix intéressant en faible puissance, mais lorsque l'on doit additionner plusieurs unités extérieures pour atteindre une puissance élevée, le prix de l'installation devient plus conséquent Les coûts liés au poste énergie (poste P1). Les charges en énergie sont incombées par le coût de l'électricité pour le système DRV et le groupe d'eau glacée mais également par le prix du gaz pour le fonctionnement de la chaudière gaz à condensation. Ils ont été calculé à l'aide des tarifs en vigueurs de l'électricité et du gaz. Les prix du poste P1 est très dépendant des hypothèses sur la performance des équipements retenus. Etudiant : WEITZ Pierre-Yves Tuteur : BURGER Denis Etude technico-économique d'un système DRV à récupération d'énergie Septembre 2012 n 4

5 3.4. Les coûts liés à la maintenance (poste P2). Le chiffrage des coûts liés à la maintenance a montré que le système DRV demande plus de maintenance qu'une solution classique. Ce constat peut s'expliquer par la présence d'un circuit de fluide frigorigène qui nécessite un contrôle réglementé de sa charge et d'une détection assidue des fuites. De plus pour des installations de forte puissance, la multiplication des unités extérieures rend la tâche de la maintenance plus fastidieuse et donc plus onéreuse. Cependant pour des systèmes DRV de petites tailles (inférieur à 50kW) le coût de la maintenance est voisin voir inférieur à celui d'un groupe d'eau glacée et d'une chaudière gaz à condensation L'hypothèse sur le fonctionnement du DRV à récupération d'énergie. Contrairement à la solution traditionnelle, la solution DRV tritube offre la possibilité de réaliser du transfert d'énergie lorsque l'on a des besoins simultanés en chaud et en froid au sein d'un même bâtiment. Par le biais de simulations sous le logiciel Pléiade-Comfie, nous avons tenté d'approcher une valeur cette part d'énergie "récupérable". Nous avons retenue la valeur de 8% de l'énergie totale mise en jeu pour un bâtiment disposant d'une bonne enveloppe de type BBC. Il est important de noter que cette part d'énergie n'est pas totalement gratuite puisque le ou les compresseur(s) sont en fonctionnement en transfert d'énergie, mais on dispose d'un COP intéressant de l'ordre de Etablissement des coûts globaux. Puissance [kw] : Solution Coût de l'installation Poste P4 : Frais financier Poste P2 : Maintenance Poste P1 : Energie Total Ecart [%] : 25 DRV Classique ,39 DRV ,07 Classique DRV ,52 Classique DRV ,44 Classique DRV ,16 Classique DRV ,46 Classique DRV ,55 Classique DRV ,22 Classique Figure 3 : Tableau récapitulatif des différents coûts Tuteur : BURGER Denis Septembre 2012 n 5

6 La solution DRV est bien placée jusqu' à une puissance d'environ 400kW, au delà l'écart entre les deux solutions n'est pas assez important pour pouvoir dégager une tendance. 4. Recommandations La solution DRV tritube présente des avantages non négligeables ( temps de pose réduit, faible encombrement, prix de l'installation réduit pour des puissances inférieures à 200kW,...), mais l'utilisation d'un fluide frigorigène dans l'ensemble du bâtiment est encore un frein à son développement. Pour espérer réaliser du transfert d'énergie avec la technologie tritube, le bâtiment devra disposer d'une bonne enveloppe et d'une génération de chaleur interne (process, serveur, local informatique). En pratique, il peut tout à fait convenir à des bâtiments de type bureaux, banques, commerces. La présence d'un fluide frigorigène au sein même du bâtiment rend son application encore délicate en logement. En revanche lorsque les températures à l'intérieure du bâtiment ont besoin d'être précises (en industrie, en milieu contrôlé) la technologie DRV présente ses limites. La régulation du fluide frigorigène n'étant pas aussi flexible qu'une régulation sur l'eau, les températures à l'intérieur des locaux peuvent fluctuer de ±1 C. Tuteur : BURGER Denis Septembre 2012 n 6