Etude de rénovation de halles industrielles et hangars Distribution de chauffage par panneaux climatiques KIGO

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1 Etude de rénovation de halles industrielles et hangars Distribution de chauffage par panneaux climatiques KIGO 1 Contexte Afin de réduire les besoins en énergie de chauffage dans les halles et hangars, qu ils soient à vocation industrielle ou autre, la mise en place d une distribution de chauffage par panneaux radiants est une solution pertinente. Elle améliore également le niveau de confort des occupants. Le chauffage par rayonnement offre un confort accru au niveau du sol sans devoir chauffer l air de l ensemble du volume du hangar. La consommation énergétique est ainsi très fortement réduite, en comparaison avec d autres systèmes, tels que les aéro-chauffeurs ou les chauffages par ventilation, qui provoquent la formation d un lac d air chaud au sommet des locaux et qui peinent à assurer un confort sans mouvements d air importants au niveau du sol. KIGO un produit 100% suisse 1

2 2 Panneaux climatiques KIGO pour le chauffage des halles de grande hauteur économies d énergie 2.1 Eléments qui influencent les pertes d énergie dans les halles à grande hauteur Eléments liés à la construction: 1. Pertes de chaleur de l enveloppe: Ces pertes dépendent de la qualité de l enveloppe et du gradient vertical de la température dans la halle. Plus le gradient de température est important, plus il y a des pertes. 2. Pertes de chaleur à cause de l infiltration d air naturel: Ces pertes dépendent de la qualité d isolation de la toiture et de la température de l air en hauteur de la halle. Une vitesse de vent de 2m/s (7.2 km/h) provoque déjà une dépression sur la toiture et la façade opposée au vent. Cette dépression aspire l air chaud de la halle. L air froid entre par toutes les inétanchéités de l enveloppe du bâtiment (portes, fenêtres e.a. imperfections de l enveloppe). Dépression Surpression vent Eléments liés à l activité d exploitation de la halle: 3. Pertes de chaleur à cause de l infiltration d air forcé: Ceci dépend de l utilisation de la halle. Plus il y a de portes ouvertes sur l extérieur, plus il y a de pertes. Il est important de ne jamais ouvrir plusieurs portes opposées en même temps (éviter les courants d air) et d éviter toute ouverture prolongée des portes en période de chauffage. Les panneaux radiants KIGO rétablissent le confort thermique dans une halle nettement plus rapidement que les systèmes de chauffage à air chaud. 2

3 4. Compensation thermique des objets froids introduits dans la halle (trains, avions, machines, ): Le poids et la température de l objet froid introduit dans la halle déterminent la charge à compenser par le système de chauffage. Les panneaux radiants KIGO chauffent plus rapidement les charges froides entrées dans la halle chauffée. Le rayonnement thermique sera plus intense vers les objets les plus froids. S il est nécessaire d augmenter la puissance de chauffage, la température de distribution de chauffage dans les panneaux radiants peut être augmentée transitoirement jusqu à ce que l objet introduit ait atteint la température ambiante Le gradient vertical de température Alors que le chauffage traditionnel (à pulsé) fait monter l'air chaud au les panneaux climatiques KIGO eux, chauffent directement là où le rayonnement de chaleur est incident plancher, et personnes). Il en résulte distribution de température uniforme toute la hauteur de la pièce, même très hauts plafonds. Les chauffages à air pulsé produisent gradient de température de contre 0.25 K/m dans le cas des panneaux climatiques KIGO. air plafond, (murs, une sur avec de un K/m Température dans une halle en fonction de la hauteur Pour garantir la même température au sol, les systèmes de chauffage à air pulsé et, en moindre mesure, les radiants à gaz nécessiteront des températures très élevées dans la partie haute des halles, d où des pertes thermiques de l enveloppe et des infiltrations d air bien plus importantes (surtout par le plafond), ayant pour conséquence une consommation d énergie nettement supérieure. 3

4 2.3 Distribution de chauffage à basse température Même si les panneaux climatiques KIGO se marient très bien avec n importe quelle source de chaleur ou de froid, il est clair que l avenir est dans les systèmes de chauffage à basse température utilisant des énergies renouvelables qui consomment peu. Les panneaux climatiques KIGO sont très performants même à basse température. Une réduction de 1 K de la température de départ chauffage augmente le coefficient de performance d une pompe à chaleur de 2,5%. Dans le cas de l utilisation de sources de chaleur utilisant des énergies fossiles, un système de distribution de chauffage à basse température permettra également de faire des économies d exploitation considérables. Dans le cas de pompes à chaleur, il convient évidemment de réduire au maximum les températures des consommateurs d énergie thermique et ce afin d optimiser le COP des pompes à chaleur. Les panneaux climatiques permettent de répondre à l objectif de réduction de température de distribution de chaleur, car nous distribuons, en règle générale, de l eau de chauffage à < dans nos panneaux climatiques. Les panneaux climatiques KIGO peuvent même être alimentés par des rejets de chaleur d autres installations techniques. Des complexes industriels équipés d un CAD à haute température (95 ) nous ont indiqué que 35% de la consommation de mazout correspondait aux pertes des conduites du CAD. Ceci montre bien qu il est impératif de mettre en place des mesures visant à baisser la température du réseau de chauffage à distance. 2.4 Comparaison des puissances de chauffage et des consommations d énergie des différents systèmes de distribution de chaleur de chauffage Exemple d une grande halle industrielle Dimensions: 222 m x 25.8 m Hauteur: 12 m Puissance de chauffage nécessaire (kw) Consommation (kwh/a) Facture gaz (CHF/a) Facture d électricité PAC (CHF/a) Economies de gaz (%) Economies élec. PAC (%) Aéro-chauffeurs Radiants haute température Radiants à gaz Pas possible Pas possible % -21% -55% -47% Pas possible Pas possible -86% Panneaux radiants KIGO basse température 4

5 Ces valeurs sont issues de calculs effectués dans le cadre d un projet de halle à grande hauteur pour l entreprise Bombardier. Ces calculs se basent sur des normes SIA relatives aux déperditions thermiques de halles de grande hauteur ainsi que sur des valeurs d expérience d un expert de la société Hervé Thermique (partenaire d Energie Solaire AS en France) qui réalise depuis de nombreuses années des projets de chauffage de halles de grande hauteur en France (références : e.a. Dassault, ). 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Puissance de chauffage (kw) Consommation (kwh/an) Facture gaz (CHF/a) Facture élec. PAC (CHF/a) Aéro chauffeurs Radiants hydraul. haute temp. Radiants à gaz KIGO Pourcentage de puissance, consommation, facture d énergie de plusieurs modes de distribution de chauffage en comparaison avec des aéro-chauffeurs L exemple ci-dessus démontre que les radiants à gaz sont moins gourmands en énergie que les aérochauffeurs et radiants hydrauliques haute température. Il illustre également que les radiants à gaz, actuellement en place dans des hangars de grande taille, consomment 40% d énergie en plus qu un système de distribution de chaleur avec panneaux climatiques KIGO à basse température: - Réduction de la puissance de chauffage à prévoir de plus de 40% par rapport aux radiants à gaz - Réduction de la consommation d énergie de chauffage de plus de 40% par rapport aux radiants à gaz Les différences s expliquent essentiellement par le fait que : - les gradients de température des systèmes de distribution de chauffage comparés sont très différents : 1.0 C/m pour des aéro-chauffeurs, 0.6 C/m pour des panneaux radiants hautetempérature, 0.8 C/m pour des radiants à gaz, 0.25 C/m pour des panneaux radiants KIGO basse-température. - Les facteurs de pertes par infiltration d air due à l inétanchéité de l enveloppe des systèmes de distribution de chauffage comparés sont très différents: 0.5 pour des aéro-chauffeurs, 0.3 pour des panneaux radiants haute-température, 0.4 pour des radiants à gaz, 0.2 pour des panneaux radiants KIGO basse-température. De plus, si le projet de production de chaleur avec pompes à chaleur haute température est mis en œuvre, les économies d énergie par rapport à d autres systèmes de distribution de chaleur seront encore plus importantes, grâce aux températures de distribution maximales de. 5

6 2.5 Autres avantages des panneaux climatiques KIGO vis-à-vis des radiants à gaz Kigo est nettement moins gourmand en maintenance et réparation que les aéro-chauffeurs et radiants à gaz. Les panneaux climatiques KIGO ne demandent pas plus de maintenance qu un chauffage au sol classique. Pour des installations de radiants à gaz, un réseau de sprinkler est en règle générale demandé. En Allemagne, notamment chez AIRBUS, les radiants à gaz seraient, selon des informations reçues, à présent proscrits dans les halles de production d avions. Raison : risque d incendie La durabilité des panneaux KIGO, composés de tôles en acier inoxydable, est inégalée. Les premiers panneaux mis en service au courant des années 80 sont toujours en service et le resteront probablement encore longtemps. Ces produits sont fabriqués dans notre usine à Sierre et sont donc 100% swiss made. Avant d être libérés et envoyés aux clients, nos panneaux sont soumis à des tests d étanchéité (2x la pression maximale de service). La distribution par panneaux climatiques KIGO permet une plus grande homogénéité de température dans la halle et ce si un ratio d environ 15% entre la surface installée des panneaux et la surface au sol est respecté. Afin d assurer le bon fonctionnement des radiants à gaz, un renouvellement d air conséquent (air de combustion) est nécessaire. Ce renouvellement d air doit faire l objet d une attention particulière. En effet, ces appareils requièrent de l air pour la combustion du gaz ce qui appauvrit la concentration en oxygène de l air ambiant et ils dissipent directement dans le local des produits de combustion tels que gaz carbonique (CO2) et monoxyde de carbone (CO). La ventilation naturelle ou mécanique doit dans tous les cas permettre de maintenir les concentrations de ces gaz à des valeurs inférieures aux valeurs limites (VME) établies par la SUVA. Dans le cas de panneaux climatiques, les infiltrations d air naturelles de la halle (portes coulissantes) suffisent à assurer le renouvellement d air hygiénique nécessaire. Il ne faut pas prévoir de système de ventilation mécanique de la halle. De plus l introduction d air (froid) supplémentaire, nécessaire pour le fonctionnement de radiants à gaz, engendre une consommation d énergie de chauffage (puissance de chauffage) plus importante. Les panneaux climatiques KIGO hydrauliques utilisent de l eau comme vecteur d énergie thermique. Ils peuvent être alimentés par toutes les sources d énergie disponibles, dont notamment les énergies renouvelables. Ceci n est évidemment pas le cas pour les radiants à gaz. 6

7 2.6 Confort L être humain échange 50 à 70% de sa chaleur corporelle par rayonnement. Que l équilibre de cet échange soit perturbé, et c est l inconfort qui s installe. Les systèmes de chauffage ou de rafraîchissement par convection utilisent l air ambiant pour réguler la température. L air chaud monte, l air froid descend. L atmosphère de la pièce s organise en strates. Vous avez les pieds froids et la tête brûlante. KIGO n utilise pas l air pour délivrer chaleur ou fraîcheur, mais des ondes électromagnétiques (rayonnement). Comme le soleil. Ces ondes se déplacent en ligne droite, traversent l air sans perte d énergie et se transforment en chaleur dès qu elles touchent le corps humain ou un objet. Dans une halle, elles vont chauffer le sol et la surface des objets dans le champ de «vision» des panneaux. A leur tour ces objets vont émettre de la chaleur et participer au confort global dans la halle. 7

8 3 Plan d implantation des panneaux climatiques KIGO et simulation du flux thermique 3.1 Disposition des panneaux dans les hangars Un soin particulier est nécessaire dans la configuration et la distribution des panneaux climatiques dans la halle. Le but est d atteindre la meilleure homogénéité du rayonnement de chaleur dans toute la halle. Afin d atteindre cet objectif, il s avère judicieux : - de répartir de la manière la plus homogène possible les panneaux dans la halle - d augmenter la concentration en zone périphérique du bâtiment en particulier dans les zones de grandes portes qui peuvent perturber l équilibre thermique - de faire en sorte que les allers à alternent avec les retours (sorties des groupes de panneaux à, afin de garantir une plus grande homogénéité du rayonnement) L exemple ci-dessous illustre une des configurations possibles des panneaux climatiques avec 10 panneaux (chaque panneau de dimensions 2 365x865mm) connectés en série. Extrait d un plan d implantation de panneaux KIGO pour une halle industrielle d environ 30 m de largeur ; moitié gauche de la halle La distance axe-axe des groupes de panneaux dépend de la puissance de chauffage requise tout en veillant à assurer un rayonnement homogène au niveau du sol. 8

9 3.2 Simulation du flux thermique au niveau du sol Sur la base des besoins thermiques de la halle, nous réalisons des simulations du flux de rayonnement thermique proche du sol de halles/hangars pour une configuration de panneaux donnée. Dans le cas illustré ci-dessous les panneaux climatiques sont suspendus à plus de 14.5 m du sol. Légende : - Jaune > 90% du flux maximal - Jaune-Orange 70 à 90% du flux maximal - Orange-Rouge 50 à 70% du flux maximal - Rouge-Brun < 50% du flux maximal Flux au sol selon la simulation pour l exemple illustré : - maximal = 41,3 W/m2 - moyen = 35,5 W/m2 Nous avons ajouté aux extrémités 2 rangées de panneaux afin d obtenir un flux mieux réparti dans ces zones. Notre outil de dimensionnement permet de vérifier que la configuration des panneaux climatiques KIGO apporte le confort requis et prend également en compte la complication de pose des éléments chauffants à grande hauteur. 9

10 4 Système de suspension et détails de raccordement 4.1 Système de suspension Dans les halles à ossatures métalliques, les plafonds ne peuvent souvent pas être utilisés comme points d ancrage pour la fixation des panneaux climatiques. Un système ingénieux consiste à tendre des câbles entre les profils métalliques et d ensuite y suspendre les panneaux climatiques KIGO avec des suspentes réglables. Ce système de pose ne nécessite que peu d outillage, peu de temps de mise en route du chantier et ne demande pas de percements dans la construction existante. Il est en plus très rapide à mettre en œuvre ce qui représente un atout important lors de la pose de panneaux KIGO dans des hangars où des activités se déroulent tout au long de l année sans interruption. Les interventions doivent y être réalisées au plus vite et sans gêner les opérations en cours. Illustration du système de pose avec câbles en acier inoxydables (Gripple) Groupes de panneaux KIGO suspendus dans une halle et détail des câbles de fixation 10

11 4.2 Raccordements des panneaux Hormis l étanchéité des panneaux climatiques KIGO il est important que la connectique hydraulique entre les panneaux et sur les conduites de distribution garantisse une étanchéité durable. Il s agit, dans le cas des panneaux KIGO de raccords rapides avec double O-ring qui s emboîtent aisément sur les embouchures en tube lisse des panneaux. Une bague de sécurité empêche tout déboîtement non-souhaité. Les connexions flexibles entre les panneaux sont composées d acier inoxydable. Elles empêchent toute diffusion d oxygène dans le circuit hydraulique. Vue de la face supérieure des panneaux avec les raccords hydrauliques 11

12 5 Aspects financiers 5.1 Coûts des fournitures et de la pose des panneaux climatiques KIGO pour un grand hangar Les prestations chiffrées ci-dessous comprennent les panneaux climatiques KIGO, les conduites de liaison depuis une sous-station couplée au CAD jusque sur les groupes de panneaux, les organes de régulation, le comptage de chaleur distribuée. La variante illustrée représente un bâtiment avec une enveloppe très performante. Nous avons également considéré un montage en plusieurs étapes. Enveloppe du bâtiment moyennement performante (U toit = 0.4 W/m2.K, U parois = 0.3 W/m2.K) Description Montant Unité (CHF hors TVA) Fournitures des panneaux climatiques KIGO CHF Pose et raccordements des panneaux climatiques KIGO CHF (basé sur pose en environ 9 étapes) Conduites de liaison depuis une sous-station de chauffage vers CHF les groupes de panneaux KIGO, y.c. organes de réglage Sous station de transfert de chaleur, à raccorder au CAD CHF Comptage de chaleur & raccordement au GESBAT existant CHF TOTAL (CHF hors TVA) CHF TOTAL rapporté à la puissance de chauffage fournie 1,62 CHF/W Les valeurs indiquées dans ce tableau sont données à titre indicatif et n engagent pas la responsabilité d. 5.2 Frais d exploitation d énergie du chauffage des hangars avec des panneaux climatiques KIGO proposés Dans le chapitre 2.4 nous avons montré que les panneaux climatiques KIGO permettaient une réduction de la consommation d énergie de chauffage de plus de 40% par rapport à des radiants à gaz. En outre les frais de maintenance du système de distribution de chaleur avec les panneaux KIGO sont minimes pour ne pas dire nuls. Il s agit d un circuit hydraulique avec des composants en acier inoxydables, sans pièces mobiles, filtres ou autres composants nécessitant un remplacement ou entretien régulier. Finalement le système est extrêmement durable et fera le bonheur des usagers pendant de très longues années. 12

13 6 Références KIGO halles et hangars 13