1 Énergétique du bâtiment : Ventilation et quelques équipements 2 M. Pons CNRS-LIMSI, Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex http://perso.limsi.fr/mpons 1
Organisation Deuxième partie Notions de confort thermique Ventilation, mouvements d air Quelques équipements Chauffe-eau thermodynamique Et Pompes à Chaleur (PAC) Centrales de Traitement d Air (CTA) 2 Pourquoi penser à d autres chauffe-eau? Qu est-ce qu un chauffe-eau? réservoir d eau, plus système de chauffage, plus isolation, plus régulation de température. Système de chauffage = électrique ou à combustible (gaz, fuel ) Quels sont les besoins en eau chaude sanitaire (ECS)? Quantité = 40 litres/jour/personne. Températures : chaude = 55 C (en tenant compte de la chaleur dissipée par le ballon et dans les canalisations) ; réseau à 15 C ; Consommation énergétique journalière 4 personnes 100 m 2. = 4x40x4185x40 / 3600 = 7440 Wh, soit 27 kwh/m 2 /an. = plus de la moitié de la consommation d un Bâtiment Basse Consommation (BBC) neuf [50 kwh/m 2 /an]. 3 1
Qu est-ce qu un chauffe-eau thermodynamique? C est un chauffe-eau qui utilise un cycle dit thermodynamique pour réduire sa consommation d énergie. Sont nommés thermodynamiques un certain nombre de procédés faisant travailler un fluide entre deux températures, deux pressions, et souvent deux états (phases), dans un cycle associant des transformations élémentaires (relativement) bien définies, telles que isothermes, isobares, adiabatiques, isochores, isenthalpes, etc. Ici, le fluide est un fluide très utilisé dans les réfrigérateurs, climatiseurs, et congélateurs, le R134A. R134A = C 2 H 2 F 4 : No ozone depletion. Mais GWP important. 4 Le concept - 1 Récupérer de la chaleur perdue dans le bâtiment, la revaloriser (augmenter son niveau de température) grâce à une pompe à chaleur, et utiliser la chaleur ainsi produite pour chauffer l eau chaude sanitaire. Première question : l énergie récupérable existe-t-elle dans la maison? En supposant que la chaleur fournie par le chauffe-eau à l ECS est soustraite à l air extrait tout au long des 24 heures, à quel T sur l air extrait cette énergie correspond-elle? Application numérique : cas d une famille de 4 personnes avec débit de ventilation égal à 135 m 3.h -1. Est-ce que ça peut fonctionner? 5 2
Le concept - 2 Air extrait après récupération de chaleur : à moins que 10 C Besoin de chauffer l eau à 55 C Transfert non-spontané, donc utilisation d une pompe à chaleur Principe d une pompe à chaleur : Détendeur Q f T f Condenseur Evaporateur Q c T c Compresseur Extraire de la chaleur à basse température céder de la chaleur à haute température Wm en utilisant de l énergie mécanique. Le cycle est plus efficace quand le fluide subit des changements de phase liquide-vapeur (condensation, évaporation) 6 Le diagramme p-h du R134A h = enthalpie p = pression Courbe noire : équilibre liquide vapeur Iso-composition, dans le domaine liquide-vapeur Isotherme (température) Isochore (densité) Isentropique (entropie) 7 3
Quelques transformations fondamentales - 1 Chauffage (->) ou refroidissement (<-) isobare Changement de pression sans échange d énergie avec l extérieur (quel sens?) Compression, sans échange de chaleur (adiabatique) ou avec (refroidissement ou chauffage). 8 Quelques transformations fondamentales - 2 Compressions 1. adiabatique réversible entropie s = constante ; 1 i 1 r 2. avec chauffage ; h1i h0 isentropique h1r h0 0 3. avec refroidissement. 9 4
Définition des échanges de chaleur Diagramme T-h. 1. Production d eau chaude 60 T [ C] 55 R134A -Q-> ECS 25 15 2. Extraction de chaleur de l air rejeté à l extérieur Air extrait -Q-> R134A 6 0±1-10 h 10 TD : Calcul du cycle suivi par le R134A Avec les températures (condensation, évaporation ) données en planche précédente (Définition des échanges de chaleur), le R134A à la sortie de l évaporateur à l état de vapeur saturée, et un rendement isentropique de la compression = 0,8 : Q_1 : Positionner les quatre transformations du cycle sur le diagramme pression-enthalpie fourni. Q_2 : Pour 1 kg de R134A cyclé, quelle est l énergie fournie par le compresseur? Et quelle est l énergie reçue par l eau chaude? Quel est le COA (Heating-COP) du cycle? Q_3 : Quel serait le débit de R134A pour que la pompe à chaleur fournisse 310 W à l eau chaude? Q_4 : De combien serait refroidi un débit d air de 135 m 3.h -1? 11 5
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Refroidissement de l air extrait L air extrait du bâtiment peut être ainsi refroidi jusqu à des températures proches de 0 C. Que peut-il se passer lorsque l air intérieur est ainsi refroidi? 13 L air humide Qu est-ce que l air humide? Combien de degrés de liberté (règle des phases)? Lesquels? Y a-t-il des limites aux choix possibles? Pression partielle vapeur d eau pw x w p x 0.622 tot w Taux d humidité relative p w w % P ( T) sat Enthalpie h 2502 x (1.005 1.90 x ) ( T 273.15) w w 14 v c 2 1
Mise en présence d air non-saturé et d eau liquide à la même temperature Que se passe-t-il? Masse? Énergie? Variation d enthalpie? w dxw 2502 (1.9 4.185)( T 273.15) 1.005 1.9x dt 0 dxw 2502 1.9( T 273.15) 1.005 1.9xw dt 4.185( T 273.15) dxw dh 4.185( T 273.15) dxw 0 v c 2 15 Le diagramme psychrométrique (de l air humide, de Carrier ) Humidité relative [%] + courbe saturation Enthalpie [kj/kg] Humidité absolue [g_h2o/g_air_sec] 1 graduation = 0,001 g/g -> Pression partielle Température 16 2
Zone de confort dans diagramme air humide Entre 18 et 26 C Entre 30% et 52% d humidité relative (à 26 C) 0 C À 0 C, quelle teneur en eau maximale? Si 20 C à 50 % x w = 0,0074 g/g h =?? kj T 17 En continuation du TD Quelle puissance thermique supplémentaire pourrait ainsi être récupérée sur l air extrait? (135 m 3.h -1 air sec) Quels facteurs liés à l occupation peuvent augmenter / diminuer cette énergie récupérée? 18 3
Organisation Deuxième partie Notions de confort thermique Ventilation, mouvements d air Quelques équipements Chauffe-eau thermodynamique Et Pompes à Chaleur (PAC) Centrales de Traitement d Air (CTA) 19 Quelques données thermophysiques [en USI] pour les conditions standard (25 C, 1,013 10 5 Pa) Conductivité k -1-1 [W.m.K ] Chaleur spécifique c p -1-1 [J.kg.K ] Masse volumique -3 [kg.m ] Viscosité dynamique -1-1 [kg.m.s ] Air 0,026 1006 1,18 18,2 x 10-6 Eau (liq.) 0,6 4180 1000 903 x 10-6 R134A (C 2 H 2 F 4 ) 870 (?) Liq. : 1200 Vap. : 4,25 Viscosité dynamique de l air : (formule de Sutherland) 2/3 6 273 111 T -1-1 17.1 10 [kg.m.s ] T 111 273 Quelques sites web utiles : www.aicvf.org/ - www.ffie.fr/ - www.uecf.fr/ 20 4