TP Thermique des locaux

Transcription

1 TP Thermique des locaux Choix de solutions Mise en situation Ce TP abordera deux points particuliers de dimensionnement : tout d'abord, nous allons voir comment choisir un système de ventilation adapté, ensuite, nous étudierons les éléments qui permettent de déterminer la taille des radiateurs. Le support est une maison individuelle à rénover. La partie thermique est terminée : l'isolation a été choisie en fonction de critères techniques et économiques, et nous avons donc les valeurs des déperditions par transmission et renouvellement d'air données sur le plan. On donne également les informations suivantes : période de chauffe : 5379h DJU : C.h 1. Ventilation Cette maison est une ancienne grange qui a été aménagée en habitation à la fin des année 70. Un conduit central de ventilation naturelle a donc été installé au moment des travaux. Nous allons dans un premier temps déterminer la consommation de chauffage due à cette solution, puis nous étudierons d'autre moyens plus modernes afin de choisir le plus intéressant en terme de consommation d'énergie et de coût annuels Ventilation naturelle Ce système de ventilation a été dimensionné dans les règles de l'art. Nous pouvons donc nous baser sur la norme NF EN ISO pour déterminer le débit total de renouvellement d'air dans cette maison, donné à 260 m 3 /h. Calculez la consommation annuelle de chauffage due à cette ventilation VMC simple flux La solution précédente présente une variation de débit très importante en fonction du vent et de l'écart de température entre l'intérieur et l'extérieur. On est donc trop ventilé en plein hiver et pas assez au printemps et à l'automne. Un solution mécanique semble donc plus adaptée pour améliorer le confort avant tout, mais également diminuer le débit de renouvellement d'air et donc la consommation de chauffage Autoréglable Une VMC autoréglable a un débit constant quelles que soient les conditions extérieures. Pour une maison de cette taille, on place une bouche d'extraction de 30 m 3 /h dans la salle de bain et dans les WC, et une bouche de 75 m 3 /h dans la cuisine. Les bouches d'entrée d'air sont installées de manière à répartir équitablement l'air neuf dans les pièces de vie. Calculez le débit total pour la maison. Calculez la consommation annuelle de chauffage due à cette ventilation. Le fait d'installer une VMC implique logiquement une consommation électrique due au ventilateur. La puissance de celui de la VMC autoréglable est donné par le constructeur et vaut

2 35W. Sachant qu'un ventilateur de VMC fonctionne sans arrêt, calculez sa consommation électrique en kwh sur une année Hygroréglable La VMC Hygroréglable aura un débit qui variera en fonction de l'humidité dans les locaux. On compte que pour une utilisation classique de ce logement, le débit total moyen sera de 100m 3 /h. Calculez la consommation annuelle de chauffage due à cette ventilation. Afin de diminuer la consommation électrique, les constructeurs proposent en option sur les VMC hygroréglables des moteurs de ventilateur à faible consommation de 13W. Calculez la consommation annuelle d'électricité de ce moteur VMC double flux Une autre solution permettant d'améliorer la performance thermique d'un logement est l'installation d'une VMC double flux. La plupart des modèles dédiés aux maisons individuelles sont autoréglables. Les débits sont donc les mêmes qu'avec une VMC simple flux autoréglable. Notre choix se porte sur 2 modèles en particulier : le modèle standard : efficacité de l'échangeur 60%, puissance des ventilateurs 150W le modèle haute efficacité : efficacité de l'échangeur 80%, puissance des ventilateurs 85W La consommation de chauffage due à la ventilation sera calculé de la même manière que précédemment, en déduisant au résultat la chaleur récupérée par l'échangeur. Pour chacun des modèles : Calculez la consommation annuelle de chauffage. Calculez la consommation annuelle d'électricité des moteurs des ventilateurs Comparaison des solutions Reportez les résultats des calculs précédents dans le tableau donné en annexe. En considérant des tarifs de l'énergie de 0,11 /kwh pour l'électricité et 0,08 /kwh pour le chauffage, complétez les colonnes " Coût ". L'écart de prix entre la meilleure solution simple flux et la double flux standard, prenant en compte la caisson et les gaines, est de Il faut compter encore 400 de plus pour la double flux haute efficacité. Concluez sur la solution la plus pertinente dans ce cas-là. 2. Dimensionnement de l'installation de chauffage 2.1. Choix des tailles des radiateurs La puissance nécessaire pour chauffer chaque local est donnée sur le plan. Elle prend en compte les déperditions par transmission, renouvellement d'air et infiltrations. Un catalogue de radiateurs, du fabricant Finimetal est donné. Nous effectuerons le dimensionnement sur un modèle de la gamme Reggane 3000, dont les caractéristiques techniques apparaissent à partir de la page 106. Le modèle précis est le 21S, un radiateur standard à ailettes. Un prédimensionnement a déterminé que la hauteur des radiateurs sera dans un premier

3 temps de 600mm. La longueur des radiateurs, quant à elle, dépend du nombre d'éléments à assembler pour obtenir la puissance voulue. Il faut donc partir de la puissance d'un élément. À partir du tableau donné p109, déterminez la puissance d'un élément de ce radiateur pour un ΔT de 50 C. Pour chacune des pièces, déduisez-en le nombre d'élément que doit comporter le radiateur et donnez sa longueur. A-t-on à notre disposition un radiateur suffisamment grand pour le salon? Comment faire? 2.2. Optimisation du rendement de la chaudière avec : La puissance d'un radiateur est de la forme : P=Q.K.S.ΔT Q : débit d'eau dans le radiateur K : constante représentant le coefficient d'échange du radiateur S : surface du radiateur ΔT : différence entre la température moyenne du radiateur et la température ambiante La chaudière choisie est à gaz à condensation. Sa performance augmente quand la température de l'eau revenant des radiateurs (dite de retour) diminue, comme l'indique le graphe ci-dessous. On voit donc que le rendement de la chaudière augmente dès que la température de retour passe en-dessous de 50 C. Diminuer la température de retour revient à diminuer le ΔT de la relation précédente. Pour garder la même puissance, on devra donc augmenter la surface d'échange. Cette diminution de température atteindra sa limite lorsque qu'un des radiateurs deviendra

4 trop grand. À part le salon, quelle est la pièce qui demande le plus grand radiateur? C'est dans cette pièce-là que nous regarderons l'évolution de la taille du radiateur en fonction de ΔT. En utilisant les valeurs fournies dans les tableaux à partir de la page 111, déterminez la puissance fournie par un élément de radiateur de 600mm de haut pour un ΔT 40 C, 30 C et 20 C. Déduisez-en le nombre d'éléments nécessaires pour le radiateur de la chambre 1 dans chaque cas. Ces radiateurs ne sont disponibles que jusqu'à la longueur 1650mm (voir note en bas du tableau p107). Quel est donc le nombre maximal d'éléments admis? Quelle sera par conséquent le ΔT le plus faible pour cette solution? Ne pouvant pas augmenter plus la longueur, nous avons le choix entre augmenter la hauteur ou l'épaisseur de nos radiateurs. Les deux sont tout à fait valables. Nous choisirons arbitrairement ici de jouer sur la hauteur et nous passerons à la plus grande, pour laquelle les radiateurs passent juste sous les fenêtres, soit 900mm. En retournant dans les tableaux à partir de la page 111, cherchez la valeur de ΔT qui permet d'avoir la même puissance d'élément que dans le calcul précédent (soit 48,8W) de manière à ne pas changer la longueur du radiateur. Quelle est donc la valeur du ΔT correspondant? Quelle serait l'autre solution permettant de diminuer encore la température de retour? 2.3. Diamètres des tubes Nous allons ici nous pencher sur deux aspects particuliers du dimensionnement des canalisations de chauffage : le confort acoustique et la consommation du circulateur. Ces deux éléments sont intimement liés. En effet, le bruit émis par l'eau circulant dans les tuyaux dépend directement du diamètre et ce dernier a également un rôle prépondérant dans les pertes de charge donc de la puissance fournie par le circulateur. A partir des calculs thermiques, nous connaissons les puissances fournies par les radiateurs et nous pouvons en déduire les débits Q v grâce au calcul suivant : P=ρ.Q v.c p.δt On trouve : chambre 1 : 137 L/h chambre 2 : 122 L/h chambre 3 : 124 L/h SdB : 32 L/h cuisine : 47 L/h salon : 180 L/h par radiateur pour 2 radiateurs L'installation est représentée en annexes. Reportez à côté de chaque radiateur le débit correspondant. Indiquez sur chaque tronçon le débit qui doit le traverser. Pour limiter le bruit émis par les canalisations, on essaie de garder une vitesse moyenne

5 d'eau inférieure à 1 m/s. Les radiateurs se connectent sur du diamètre Ce sera donc la valeur la plus faible à utiliser dans l'installation. Déduisez-en le diamètre de chaque tronçon en utilisant l'abaque en annexe. Indiquez sur le même schéma que précédemment le diamètre normalisé utilisé sur chaque tronçon Calcul des pertes de charges Le calcul des pertes de charges nous servira ici à déterminer la puissance à régler sur le circulateur et également à réaliser l'équilibrage des débits dans les radiateurs de manière à ce qu'ils fournissent bien la puissance pour laquelle ils ont été prévus. Un coup d'œil rapide montre que les radiateurs les plus défavorisés en terme de pertes de charge sont ceux de la cuisine et de la salle de bain. Le relevé des longueurs droites et des pertes de charges singulières pour chaque tronçon est donné ci-dessous : tronçon AE (commun aux deux radiateurs) : pertes de charge régulières : 235mmCE pertes de charge singulières : 720mmCE tronçon EF : longueur droite : 6m 2 tés directs : ξ=0,3 2 tés dérivation : ξ=2 tronçon FG : longueur droite : 15m 2 tés directs 8 coudes 90 : ξ=2 1 radiateur : ξ=3 tronçon EH : longueur droite : 12m 2 tés dérivation 2 coudes 90 tronçon HI : longueur droite : 15m 2 tés direct 8 coudes 90 1 radiateur Pour effectuer le calcul, vous remplirez le tableau ci-dessous : Tronçon Q (L/h) L(m) Ø normalisé R (mmce/m) R.L (mm CE) V (m/s) Elts pour PdC singulières ξ Σξ Z = V 2 2 g AE Quel est finalement le radiateur le plus défavorisé?

6 Sur quelle puissance devra-t-on donc régler le circulateur? Illustration 1: Caractéristiques du circulateur pour les réglages de puissance 1, 2 et 3 Les puissances correspondant aux réglages 1, 2 et 3 valent respectivement 30W, 51W et 67W. Déterminez la consommation du circulateur pendant la période de chauffe, en considérant qu'il tourne en continu, pour les trois puissance précédentes. Remarques : en diminuant les pertes de charges, on arrive donc à limiter la consommation électrique du circulateur. Il faut toutefois noter que les chaudières actuelles sont conçues pour arrêter le circulateur lorsqu'il n'y a plus de demande de chauffage. Un circulateur qui ne consomme pas beaucoup, c'est bien, un circulateur qui ne tourne pas, c'est mieux! il existe également des circulateurs à puissance variable qui s'adaptent à la demande en continu. Ils sont très intéressants sur les grosses installations et commencent à apparaître dans le résidentiel.