GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE EVALUATION DES PERFORMANCES ESTIVALES DES SYSTEMES DE VENTILATION DOUBLE-FLUX EN HABITAT INDIVIDUEL Projet de Fin d Etudes réalisé au COSTIC par Fabien LE BRUSQ Tutrice : Martine BIANCHINA MAI 2011
PRESENTATION ET CONTEXTE DE L ETUDE L augmentation des coûts de l énergie, et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre, conduit actuellement notre gouvernement à prendre des mesures environnementales de plus en plus draconiennes, tant dans le secteur de l industrie, que dans celui des transports et du bâtiment. A ce titre, la future réglementation thermique 2012 (RT2012) aura pour objectif, tout comme les précédentes réglementations thermiques, de limiter les consommations énergétiques des bâtiments neufs, qu ils soient à usage d habitation (résidentiel), ou pour tout autre usage (tertiaire). Cependant, elle devrait se traduire par un important changement des modes constructifs, comparable à celui rencontré avec la mise en place de la réglementation thermique de 1974. Si, à l époque, il s agissait de systématiser l isolation des bâtiments, aujourd hui l objectif est de les rendre également étanches. Avec, qui plus est, un niveau d exigence considérablement relevé, puisque le total des différentes consommations énergétiques (chauffage, refroidissement, eau chaude sanitaire, ventilation, éclairage et auxiliaires) ne devra pas excéder en moyenne 50 [kwh EP.m -2.an -1 ]. Les exigences de la RT2012 seront donc proches de celles des bâtiments basse consommation et du label BBC Effinergie actuel. Cependant, si les économies d énergie constituent un axe d amélioration important, ce dernier n est pas suffisant. Il faut également répondre aux attentes des occupants en matière de confort climatique et acoustique. On peut donc penser que la réglementation thermique 2012 va entraîner une prise de conscience de l importance de la ventilation dans les bâtiments. En effet, avec des bâtiments de plus en plus isoléss et étanches, le renouvellement de l air va devenir essentiel pour le confort et l hygiène des occupants. En outre, la question de l inconfort d été risque de se poser. En effet, même si des dispositions «bioclimatiques» sont prisess pour limiter les risques de surchauffe (orientation judicieuse des façades, inertie des parois, protections solaires ), il n est pas encore dit qu elles suffiront à limiter l élévation des températures. Dans ce contexte, les systèmes double-flux pourraient se généraliser. Mais encore faut-il en connaître les réelles performances. Le COSTIC a récemment réaliséé une étude pour la Direction Générale de l'aménagement, du Logement et de la Nature (DGALN) concernant les performances énergétiques des systèmes de ventilation double-flux Mais l objet de cette étude ne portait que sur une dans l habitat individuel en période de chauffage. évaluation des performances énergétiques, et uniquement pour la saison de chauffage. Ce projet s est donc inscrit dans la continuité de cette étude, et a eu pour objectif de la compléter en évaluant les performances estivales des systèmes de ventilation double-flux statiques et thermodynamiques, ainsi qu en abordant les problématiques de conception, de mise en œuvre, et de régulation de ces produits. Ce projet s est décomposéé en trois parties majeures. Tout d abord, un point précis a été réalisé sur l état de l offre des systèmes de ventilation double-flux et dans quelques pays européens. Une analyse des statiques et thermodynamiques en France, tendances du marché en France a également été effectuée. Ensuite, afin de mesurer les performances en mode rafraîchissement de deux appareils double-flux thermodynamiques, deux bancs d essais ont été conçus et réalisés. Après l élaboration de protocoles d essais, des mesures ont été effectuées sur ces bancs. Enfin, des simulations numériques sous TRNSYS ont permis d évaluer l influence de l inertie des parois, des protections solaires, et des débits de surventilation, sur le confort d été d une habitation dotée d une ventilation double-flux à échangeur statique Page 2 sur 6
ANALYSE DU MARCHE Tendances du marché Encore peu utilisée en France avec 4 à 5% du parc de logement équipé, la VMC double- flux est une technologie d avenir. Dans les constructions neuves de type basse consommation, qui deviendront plus ou moins la norme au 1 er janvier 2013 pour les maisons individuelles de la future RT2012, il ne sera plus possible d atteindre de bons niveaux de performance énergétique sans contrôler de manière précise les flux d air extrait et d air entrant. Le concept de maison passive, ainsi que différents labels tels que Passivhaus et MINERGIE, qui connaissent de plus en plus de succès en Allemagne, en Autriche et en Suisse, imposent d ailleurs un système de ventilation mécanique à récupération de chaleur, la forte étanchéité des bâtiments ne permettant pas un renouvellement d air par les infiltrations. Cette exigence a énormément influencé le marché des centrales double-flux dans ces pays. A titre d exemple, dans le Land du Vorarlberg en Autriche, pays très en avance en matière d efficacité énergétique, cette solution s impose quasi systématiquement. En Hollande, entre 60 et 70% du marché de la ventilation revient à la VMC double-flux. Cependant, la ventilation double-flux reste encore dans notre pays un marché de niche en habitat individuel face à la ventilation simple-flux, essentiellement pour des raisons de coût et de mise en œuvre. Bien que les premières constructions BBC aient majoritairement recours à cette technique de ventilation, seulement 31400 centrales double-flux ont été vendues en France en 2010, en comparaison des 655000 systèmes de ventilation simple-flux, neuf et rénovation confondus, vendus cette même année. Néanmoins, apparu comme la pompe à chaleur dans les années quatre-vingt, puis disparu de la même façon, le double-flux vit actuellement une renaissance, comme en témoignent les statistiques du tableau de la figure 1 ci-dessous recueillis auprès d UNICLIMA, syndicat des industries thermiques, aérauliques et frigorifiques. Le taux de pénétration de la est passé de 1,30% en 2007, à 4,57% en 2010. Avec la RT2005, le marché connaît une réelle croissance depuis 2004. Demain, avec une chasse aux déperditions de plus en plus sévère, et des bâtiments de plus en plus étanches à l air, la réglementation thermique version RT2012 devrait faire une place confortable à la ventilation double-flux, sans pour autant évincer les solutions de ventilation hygroréglables, et notammentt celle de type B. Dans l état actuel des constructions, ces deux solutions présentent un intérêt énergétique assez proche, tout en sachant que le concept hygroréglable reste financièrement plus abordable. Année 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Nombre d'unités VMC double-flux vendues 3624 3849 5031 9148 14 300 25254 31391 Evolution du nombre de ventes de VMC double- Taux de pénétration de la ventilation double-flux flux par rapport à l'année précédente en habitat individuel + 6,2 % + 30,7 % + 81,8 % + 56,3 % + 76,6 % + 24,3 % 0,66 % 0,68 % 0,90 % 1,30 % 1,92 % 3,64 % 4,57 % Taux de pénétration des systèmes double-flux haute performance (*) en habitat individuel / / / / 0,700 % 2 % 2,6 % Part des systèmes double-flux haute performance (*) en ventilation double-flux d'habitatt individuel / / / / 36,2 % 54,9 % 56,9 % (*): moteurs basse consommation et échangeur haut rendement (Efficacité>85%) Figure 1 : Tableau de synthèse des statistiques UNICLIMA concernant la VMC double-flux en habitat individuel en France (hors DOM-TOM et export) Page 3 sur 6
D une manière générale, il ressort de cette étude que le développement actuel des systèmes de ventilation double-flux est intimement lié à celui des maisons à faible consommation d énergie, que ce soit en France ou chez nos voisins européens. Cependant, il existe encore en France dans le secteur résidentiel une forte tradition de pratique associée à la VMC autoréglable, avec un développement important de la VMC hygroréglable, contrairement aux autres pays européens. On peut ainsi imaginer que les systèmes de ventilation double-flux rencontreront une concurrence plus forte dans notre pays. De plus, le coût d investissement pour ces systèmes est beaucoup plus important que pour la VMC simple-flux. Etat de l offre De cette analyse du marché, il ressort qu une dizaine de fabricants se partagent actuellement le marché français du double-flux, encore peu développé, mais dont les perspectives sont florissantes. Le tableau de la figure 1 présente les ventes dans notre pays des systèmes double-flux en général, sans effectuer une distinction entre les différentes technologies existantes (récupérateurs statiques, thermodynamiques, et enthalpiques). Cependant, il ressort que 90% de ces ventes sont représentées par les systèmes double-flux à récupérateur statique. C est donc sur cette technologie que la plupart des fabricants concentrent actuellement leurs efforts. Seuls quelques fabricants proposent aujourd hui des centrales double-flux à récupérateur thermodynamique, comme par exemple les deux français GAC et Aldès, ou encore l allemand Paul. Enfin, en ce qui concerne les récupérateurs enthalpiques, seuls trois fabricants allemands susceptibles d alimenter le marché français ont été recensés, à savoir Hélios, Paul et Zehnder. Dans le cadre de ce projet, un point précis a été réalisé sur l état actuel de l offre des systèmes de ventilation double-flux statiques et thermodynamiques pour l habitat individuel. Les fonctions et les différentes caractéristiques de ces produits ont été analysées en détail. Dans le cas des centrales dotées d échangeurs statiques (échangeurs à plaques), on s est tout particulièrement intéressé aux points suivants : technologie des moteurs des ventilateurs et type de régulation associée (fonctionnement à débit constant ou à vitesse constante), principes de régulation du bipasse de l échangeur statique, gestion de l interface du produit avec l utilisateur, filtration de l air vicié extrait et de l air neuf insufflé, prévention du risque de givrage du récupérateur statique, association du système à des sondes de CO 2 et d humidité, etc. Pour ce qui concerne ces appareils, on remarque qu il existe deux gammes de produits, à savoir les produits de gamme standard ayant des performances médiocres (échangeur à flux croisés, moteurs à courant alternatif, filtration grossière) ), et les produits de gamme élevée ayant de meilleures performances (échangeur à flux contre-courants croisés, moteurs à courant continu, filtration plus fine). On remarque également que la plupart des fabricants français proposent ces deux gammes de produits, ce qui n est plus le cas des fabricants allemands, hollandais et danois, qui proposent aujourd hui essentiellement des produits haut de gamme. En ce qui concerne les centrales dotées d un récupérateur thermodynamique, l étude s est essentiellement concentrée sur les produits proposés par les deux fabricants français GAC et Aldès, ces produits étant les plus susceptibles d alimenter le marché français. En particulier, on s est intéressé en détail aux caractéristiques de la centralee RTH250 de GAC, et à la centrale C3000 d Aldès. Ces deux centrales ont par ailleurs fait l objet d essais sur banc. Page 4 sur 6
ESSAIS SUR BANC DE DEUX CENTRALES DOUBLE-FLUX THERMODYNAMIQUES Dans l objectif d évaluer les performances en mode rafraîchissement des centrales de ventilation double-flux dotées d un récupérateur thermodynamique (petitee pompe à chaleur réversible), deux bancs d essais ont été conçus et réalisés dans le cadre de ce projet. Ainsi que précisé précédemment, des essais ont successivement été réalisés sur la centrale RTH250 de GAC, puis sur la centrale C3000 d Aldès. Figure 2 : Photo représentant une vue d'ensemble du banc d'essais de la centrale RTH250 de GAC Figure 3 : Photo représentant une vue d'ensemble du banc d'essais de la centrale C3000 d'aldès Dans chacun des deux cas, les étapes de réalisation du banc d essais ont été les suivantes : Etude détaillée du principe de fonctionnement et des caractéristiques de la centrale Définition d un protocole de mesures Choix et étude des appareils de mesure et d acquisition Conception du banc d essais (définition de schémas de principe) Réalisation du banc d essais (installation des conduits, mise en place des sondes de mesure, câblage de l armoire électrique, câblage des sondess et de la centrale, calorifugeage des conduits, etc.) Mise au point du banc d essais Etalonnage des sondes de mesure L analyse des résultats de ces essais montre que ces deux appareils ont de bonnes performances thermiques. A titre d exemple, la centrale RTH250 de GAC arrive à maintenir une puissance frigorifique sur l air soufflé d environ 2200 watts pour des températures extérieures supérieures à 26 degrés Celsius, tout en maintenant un coefficient d efficacité frigorifique d environ 2,6. Cependant, on remarque dans les deux cas que les températures d air soufflé sont relativement fraîches. Dans le cas de la centrale RTH250, l écart de soufflage est au minimum de 11 degrés Celsius, ce qui est déjà relativement important. Il en est de même pour la centralee C3000 d Aldès, avec des écarts de soufflage compris entre 6 et 14 degrés Celsius suivant l écart entre la température ambiante et la consigne correspondante. A l heure où l élaboration d un DTU sur la ventilation double-flux en habitat individuel est en cours, il apparait important de retenir de ces essais que la diffusion de l air soufflé avec ces systèmes thermodynamiques ne doit pas être négligée. En particulier, le choix et le positionnement des bouches de soufflage doivent faire l objet d une attention particulière, sous peine de générer de l inconfort au sein de l habitation. Page 5 sur 6
SIMULATIONS DYNAMIQUES EN PERIODE ESTIVALE D UNE INSTALLATIONN DOUBLE-FLUX Enfin, des simulations numériques sous TRNSYS ont été réalisées lors de ce projet de fin d études. Ces simulations ont permis d évaluer l influence de l inertiee des parois, des protections solaires, et des débits de surventilation sur le confort d été dans une habitation dotée d une ventilation double-flux à échangeur statique. Afin de simuler une installation la plus réaliste possible, les caractéristiques d une centrale double-flux actuellement proposée sur le marché français par Atlantic ont été saisies sous TRNSYS. Par ailleurs, le diagramme de confort de Brager a été retenu pour évaluer le taux d inconfort obtenu lors des différentes simulations. De ces simulations, il ressort tout d abord que le risque de surchauffe est d autant plus fort que l inertie des parois intérieures en contact avec le rayonnement solaire est faible. Cependant, même dans le cas d une habitation caractérisée par une structure possédant à priori une inertie importante, et dotée d une ventilation double-flux dont l échangeur statique peut être bipassé pour réaliser de la surventilation nocturne, l inconfort peut subsister dans des pièces fortement soumises au rayonnement solaire à travers les vitrages. Au contraire, les simulations paramétriques sur les charges solaires à travers les vitrages ont montré que l obtention du confort en période estivale devient possible dès lors que l on a recours à des protections solaires efficaces. Dans le cas de l habitation simulée lors de ce projet, le simple ajout d un store intérieur a permis une réduction d environ 50 [%] de l inconfort dans une pièce fortement vitrée. CONCLUSION On s aperçoit à travers cette étude que l on assiste aujourd hui à un réel développement de la. Apparu comme la pompe à chaleur dans les années quatre-vingt, puis disparu de la même façon, le double-flux vit actuellement une renaissance, comme en témoignent les statistiques du marché recueillies auprès d UNICLIMA. Cet engouement s explique principalement par le renforcement de la réglementation thermique, et l apparition des bâtiments basse consommation. L analyse de l offre proposée par les différents constructeurs témoigne d un réel développement technologique de ces centrales. Ces appareils sont aujourd hui de plus en plus perfectionnés, et font largement appel à l électronique. Les produits haut de gamme et leur clavier de commande à écran d affichage marquent ainsi une réelle différence par rapport aux simples extracteurs oubliés dans les combles. Cependant, il serait faux de croire que ces appareils perfectionnés constituent une solution miracle pouvant apporter à elle seule le confort dans l habitation en toute saison. Les simulations numériques effectuées dans le cadre de cette étude montrent clairement que l obtention du confort en période estivale passe avant tout par une bonne maîtrise des apports solaires. En outre, ces systèmes de ventilation doivent être couplés à une inertie importante des parois intérieures, et à une protection solaire efficace des différents vitrages. Enfin, les essais réalisés sur les centrales double-flux thermodynamiques montrent clairement que ces systèmes sont performants d un point de vue thermique. Cependant, les écarts de soufflage mesurés en mode rafraîchissement étant relativement importants, la maîtrise de la diffusion de l air soufflé prend une importance non négligeable pour ces systèmes. Page 6 sur 6