FORMATION BATIMENT DURABLE : PASSIF ET (TRES) BASSE ENERGIE

FORMATION BATIMENT DURABLE : PASSIF ET (TRES) BASSE ENERGIE Journée 3.4 Systèmes - Notions théoriques Refroidissement Didier DARIMONT PRINTEMPS 2016 Sur base d une présentation conçues par MK Engineering didier.darimont@icedd.be

2 OBJECTIF(S) DE LA PRESENTATION Identifier les besoins en froid et penser préalablement à les minimiser Comprendre les paramètres du système de production de froid Estimer l impact sur les critères de certification (c-à-d l Energie Primaire) du choix du système de production et d émission du froid

3 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION Critères de certification Des Besoins Nets à l Energie primaire Stratégie de conception Confort estival Occurrence des besoins Répartition des Besoins et Energie Primaire Puissance relative Répartition des Besoins et Energie Primaire Dimensionnement Synthèse SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT

4 INTRODUCTION CRITÈRE DE CERTIFICATION Dans le résidentiel, le refroidissement n est pas considéré! Objectif : se passer de refroidissement actif! Source : Vademecum PMP

5 INTRODUCTION CRITÈRES DE CERTIFICATION Certification Passive (non-résidentiel permis déposé après le 06/03/2012) Critères à respecter: Certification - Bâtiment TERTIAIRE - Standard Passif Besoins net en énergie de chauffage 15 kwh/m².an (1) esoins net en énergie de refroidissement 15 kwh/m².an (1) Test d'étanchéité à l'air n 50 0,6 h-1 selon la méthode A de la NBN EN 13829 (5) Probabilité du risque de surchauffe 0,05 ou 5% Simulation dynamique requise (3) Critère en énergie primaire - Ep 90-2,5 x compacité (2) (4) N N Source : Vademecum PMP 2012 Le refroidissement actif intervient dans la lutte contre la surchauffe après les moyens passifs. But : être sous le seuil des 5 % des risques de surchauffe, pour des besoins en refroidissement inférieurs à 15 kwh/m².an en minimisant les consommations en Ep. Ensemble des données et résultats présentés sont spécifiques au tertiaire La simulation dynamique est requise pour le tertiaire passif > 1000 m²

6 INTRODUCTION BESOINS NETS À L ÉNERGIE PRIMAIRE 6 7 8 9 Formation Systèmes : Refroidissement Formation Systèmes : + + + + - - - = Eclairage 1. Apports solaires 2. Apports internes par les personnes 3. Apports internes par l éclairage 4. Apports internes par les ventilateurs 5. Apports internes par les appareils 6. Déperditions par transmission 7. Déperditions par ventilation 8. Déperditions par in/exfiltration 9. Chaleur à évacuer par le système de refroidissement 1 2 3 4 5 10 11 12 13 14 16 + = + = + = 10. Besoins nets en énergie pour le refroidissement 11. Pertes du système de refroidissement 12. Besoins bruts en énergie 13. Pertes à la production 14. Consommation d énergie pour le refroidissement 15. Pertes de transformation 15 16. Consommation d énergie primaire du bâtiment

7 INTRODUCTION STRATEGIE DE CONCEPTION Stratégies passives : N Limiter les gains internes (occupation raisonnée des espaces) N Limiter les gains externes N N (protections solaires) Evacuer la surchauffe par l air Utiliser l inertie pour absorber la chaleur pendant la journée et l évacuer la nuit. Ces mesures sont validées par simulation dynamique Source : guide bâtiment durable Source : E+

8 INTRODUCTION STRATEGIE DE CONCEPTION Le solde de la surchauffe peut être traité par des moyens actifs en vue de ramener les risques de surchauffe à < 5% Source : MK engineering

9 INTRODUCTION CONFORT ESTIVAL Notion de confort développé lors de la 1 ère journée de formation La certification impose un maximum de 5% de surchauffe N 5 % correspond à un nombre d heures audessus de 25 C pendant l occupation du bâtiment. Le confort est subjectif, il est fonction : N De l habillement N Du métabolisme N Des paramètres physiques suivants Paramètres : température (air/parois/opérative), humidité, vitesse de l air Source : Energie +

10 INTRODUCTION CONFORT ESTIVAL Simulation thermique dynamique N Analyse du confort moyen N Analyse du confort d été caniculaire Canicule - Température ambiante 40 C 30 C 20 C 10 C 4345 4513 4681 4849 5017 T ext 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Source : MATRIciel

11 INTRODUCTION OCCURRENCE DES BESOINS 3000 2500 Exemple de besoins de chaud et de froid pour un bâtiment tertiaire 2000 1500 Besoin de chauffage Besoin de refroidissement [kwh] 1000 500 [kwh] 140 0-500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [mois] 120 100-1000 80-1500 60-2000 40 20 N Occurrence des besoins de froid réduits N Besoins de chaud et de froid peuvent être simultanés 0-20 -40

12 INTRODUCTION PUISSANCES RELATIVES Fonction de l affectation, de la conception et des moyens passifs 2 exemples avec des comportements et stratégies différentes : N Bâtiment de bureaux Puissance frigorifique nécessaire de 5 W/m² pour des besoins frigorifiques de 1,6 kwh/m².an Source : MK Engineering N Maison de repos et de soins Puissance frigorifique nécessaire de 25 W/m² pour des besoins frigorifiques de 4,7 kwh/m².an Source : 3E

13 INTRODUCTION REPARTITION DES BESOINS ET ENERGIES Projets Non-Résidentiels

14 INTRODUCTION DIMENSIONNEMENT Puissance de froid N Sur base d un bilan des apports (méthode Carrier) Apports externes Apports internes : éclairage, occupants, postes de travail, cuisines, N Sur base d une simulation dynamique Permet de tenir compte des moyens passifs de refroidissement

15 INTRODUCTION SYNTHESE Favoriser préalablement les stratégies passives Le traitement en froid actif a pour objectif de contrôler les confort N en période estivale N mais aussi sur de plus longues périodes dans les zones à fortes charges internes Il peut exister des périodes de simultanéité avec les besoins en chaud Le traitement actif en froid impact les besoins en Energie primaire Les besoins en froid (actifs) sont très variables en fonction de l affectation et de la physique du bâtiment

16 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT

17 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT TERMINOLOGIE PRODUCTION DISTRIBUTION EMISSION REGULATION OPTIMISATION ENERGIE PRIMAIRE

18 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT TERMINOLOGIE Free-cooling N Valorisation de l air frais extérieur N By-pass récupérateur de chaleur sur la ventilation N pulsion de l air frais extérieur Top-cooling N Rafraichissement contrôlé de l air pulsé N Moyen actif nécessaire N Ex : pulsion à 18 C par 30 C extérieur Night-cooling N Valorisation de la fraîcheur nocturne N Ventilation intensive du bâtiment pour décharge de l inertie N Ventilation : Mécanique Naturelle Hybride

20 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT PRODUCTION - Principe Les machines frigorifiques fonctionnent par transfert d énergie, et non par combustion. Source : Eurovent le rendement est toujours supérieur à 100% la machine frigo peut être réversible en Pompe à Chaleur PAC Fluide frigorigène de production : N CFC interdits N HFC R-134a, R-407, R-410, (mais restent soumis à des normes environnementales)

21 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT PRODUCTION Rendement NBN EN 14511 Rendements N EER : rendement de l appareil à pleine charge : Source : Energie + N ESEER : rendement saisonnier N Certification Eurovent = garantie Source : Eurovent

22 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT PRODUCTION Rendement N Performance éco-design : climatiseur P < 12 kw (2015) Source : Mitsubishi

23 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT PRODUCTION Rendement Ordre de grandeur (condenseur à air) N Machine traditionnelle Source : DAIKIN N Machine optimisée Source : UNICO

25 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT DISTRIBUTION - Généralité Fluide de distribution : N Distribution directe avec le fluide frigorigène N Distribution par eau (eau glacée) N Distribution par air (par la ventilation) Mêmes critères que pour la distribution de chauffage : N Pertes thermiques calorifuge Source : MK Engineering N Consommation électrique des auxiliaires dimensionnement des réseaux et sélection des auxiliaires N Zonage : voir remarque chauffage et chapitre régulation Source : Grundfoss

26 SYST. DE REFROID. DISTRIBUTION Détente directe Pas de fluide intermédiaire, la machine travaille en direct avec évaporateur dans la zone à traiter Source : Energie + Source : Aermec N Avantages : Prix réduit, régulation simplifiée N Inconvénients : Distribution du fluide froid dans le bâtiment (normes environnementale) Fonctionne pour un nombre limité de locaux (multi-split) Esthétique? N Application : Locaux à charges de climatisation spécifiques et localisée (type salles informatiques, )

27 SYST. DE REFROID. DISTRIBUTION Eau glacée L énergie frigorifique est distribuée par de l eau glacée Source : Energie + N Avantages : Le traitement froid est indépendant de la ventilation Régulation plus facile pièce par pièce Charge de fluide frigorigène faible et limité à la machine frigorifique N Inconvénients : Distribution du fluide froid dans le bâtiment N Application : Zones où les besoins de climatisation sont élevés et diversifiés

28 SYST. DE REFROID. DISTRIBUTION Par l air L énergie frigorifique est distribuée par l air Source : Energie + N Avantages : Permet de jouer sur l humidité de l air (préchauffage, humidification, ) Pas d équipement nécessaire dans les pièces N Inconvénients : Nécessite de gros débits d air Du coup, les ventilateurs consomment et dégagent de la chaleur Encombrement des réseaux aérauliques non négligeable Dépendance de la ventilation hygiénique avec le traitement climatique N Application : Zones où les débits sont élevés et les besoins de climatisation sont faibles

30 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT EMISSION Batterie froide (ou réversible) N Avec effet de déshumidification Ventilo-convecteur N 2 ou 4 tubes Source : Daikin

31 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT EMISSION Plafonds froids N Puissance limitée (40 100 W/m²) N Régime de T élevé (15 C) pas de condensation Poutres rafraichissantes N Statiques ou dynamiques (réseau d air haute pression) N Régime de T élevé Slab cooling N Inertie élevée N Pour rafraichissement nocturne N Puissance limitée N Régime de T élevé Sources : Energie +

33 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT REGULATION Objectif : N Assurer le contrôle du confort N Optimiser les consommations du système Moyens : N Par ajustement de la T ambiante (aux horaire, besoins, ) N Via ajustement des conditions de fonctionnement du système Techniques : N Grande diversité de techniques, fonction des systèmes (production, distribution, émission) N MAIS attention à l exploitation et la compréhension de l utilisateur final

34 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT REGULATION Points d attention : N Plage neutre Puissances chaud/froid T chaud T froid 100% 80% 60% 40% 20% 0% -10 0 10 20 30 T ext ( C) Plage neutre Source : MK ENgineering Attention, dans certains cas, besoins simultanés de chaud et froid N Chaque façade, chaque affectation a des besoins différents Zonage Commande localisée N Identification claire des commandes, écolage, manuel d explication,

35 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT TERMINOLOGIE PRODUCTION DISTRIBUTION EMISSION REGULATION OPTIMISATION Condenseur Evaporateur Exercice pratique Free chilling Récupération de chaleur Refroidissement alternatif ENERGIE PRIMAIRE

36 SYSTÈMES DE REFROID. OPTIMISATION - Condenseur Comme spécifié dans la formation «chauffage» il existe des groupes : air/air, air/eau, eau/eau, Système monobloc à condenseur air N Faible investissement N Rendement faible N Maintenance aisée Condenseur à eau N Source d eau: Dry-cooler (refroidis par air) Tour de refroidissement (maintenance!) Sol (géothermie) Captage d eau N Investissements plus élevés N Rendement potentiellement plus élevé Source : Energie +

37 SYSTÈMES DE REFROID. OPTIMISATION - Evaporateur Température de fonctionnement N Intérêt à travailler à haute température, favorise : La diminution des pertes de distribution vers l ambiance La non-condensation de l air (12 C) L augmentation du rendement N Travailler à un régime supérieur : 12 17 C et non (6-11 C) Nécessite un échangeur à haute température Plafond froid Ventilo-convecteur sur-dimensionné

38 SYSTÈMES DE REFROID. OPTIMISATION Exercice pratique Présélection d un appareil de production de froid sur base d une fiche technique de fabricant. Sélection d une machine à analyser suivant : N Valeurs nominales

39 SYSTÈMES DE REFROID. OPTIMISATION Exercice pratique Présélection d un appareil de production de froid sur base d une fiche technique de fabricant. Sélection d une machine à analyser suivant : N Régime de température (évaporateur) Choix des unités intérieures impact sur évaporateur Conditions extérieures T ext ou choix du condenseur N Analyse de l impact sur le rendement (EER)

40 SYSTÈMES DE REFROID. OPTIMISATION Free chilling Free-chilling N Quand T «source» basses, arrêt du compresseur et refroidissement gratuit par échange avec air extérieur Source : Energie +

41 SYSTÈMES DE REFROID. OPTIMISATION Stockage d énergie Stockage N Diminution de la puissance installée N Optimisation de la facture (tarif de nuit) N Meilleur rendement de nuit (T extérieure inférieure) N Problématique de l encombrement Source : Energie +

42 SYST. DE REFROID. OPTIMISATION Récupération de chaleur Récupération de chaleur sur condenseur N Pour préchauffage d ECS N Pour circuit chauffage Source : Energie +

43 SYST. DE REFROID. OPTIMISATION Refroid. adiabatique Refroidissement adiabatique : N L évaporation de l eau refroidit «gratuitement» l air repris N L air frais peut alors refroidir l air neuf N Peu de contrôle et efficacité fonction des conditions extérieures N Ambiance humide et chaude, donc : résistance des matériaux à la corrosion à prévoir risque de développement de bactérie maintenance accrue

44 SYST. DE REFROID. OPTIMISATION Machine ad/ab -sorption Machines à ad/bsorption N Le compresseur est remplacé par un procédé thermochimique Sources : Energie + N Cout d investissement plus élevés N Pertinent si on dispose d un déchet thermique à revaloriser N Principe de la «trigénération» : Cogénération pour électricité et chaleur en hivers En été, la chaleur est envoyée vers la machine frigo

46 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT ENERGIE PRIMAIRE A partir des BNEF, avec les apports internes défavorables N Besoins nets en refroidissement introduits (ex : 10 kwh/m².an) N COP (ESEER) à introduire Refroidissement avec PAC électrique Valeur en énergie primaire Facteur d'émission CO 2 (équivalent CO 2 ) Taux de couverture du besoin de refroidissement (Projet) 100% 2.5 680 kwh/kwh g/kwh Source de chaleur Electricité Coefficient de performance (COP) de refroidissement annuel 3.3 Besoin en énergie de refroidissement 3.0 7.6 2.1 Attention! Energie finale N BNEF / ESEER Energie Finale (besoins ) N EF * Coef. EP Consommation en énergie primaire Paramètre principal : ESEER

47 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT ENERGIE PRIMAIRE Tableau de conversion en énergie primaire : Vecteur énergétique Fp Electricité 2,50 Comparaison d une optimisation des performances Besoins Net : 15 kwh/(an.m²) et 5 kwh/(an.m²) Pertes de distribution du réseau de chauffage : 1,0 kwh Besoins nets [kwh] Besoins bruts [kwh] ESSER Energie finale [kwh] Coût [ /m²] Energie primaire [kwh p ] 15 15+ pertes = 16,0 3 16 / 3 = 5,33 5,33 x 0,17 = 0,91 5,33 x 2,5 = 13,3 15 15+ pertes = 16,0 5 16/ 5 = 3,20 3,20 x 017 = 0,54 3,20 x 2,5 = 8,0 5 5+ pertes = 6,0 3 6 / 3 = 2,00 2,00 x 0,17 = 0,34 2,00 x 2,5 = 5,0 5 5+ pertes = 6,0 5 6 / 5 = 1,20 1,20 x 0,17 = 0,20 1,20 x 2,5 = 3,0

48 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT SYNTHESE Free-cooling, Top-cooling, Night-cooling une terminologie adaptée Une machine frigo n est qu une pompe à chaleur inversée ou l inverse! Distribuer le froid par le fréon, l air ou l eau glacée, il existe une panoplie de solutions. Des rendements de fonctionnement variables et optimisables

49 CE QU IL FAUT RETENIR DE L EXPOSE Mettre en œuvre un maximum de stratégies de conception passive pour éviter et minimiser les besoins en froid Un appoint en refroidissement actif peut être envisagé, celui-ci doit être adapté à la fonction du bâtiment Il existe des certificats renseignant les performances de l appareil. L ensemble du système doit être conçu dans l idée d une rationalisation de l énergie

50 OUTILS ET REFERENCES Outils, sites internet, etc intéressants : N Vademecum PMP N http://www.energieplus-lesite.be/ N alter-clim (IBGE) Références Guide bâtiment durable et autres sources : N Guide bâtiment durable : http://www.guidebatimentdurable.brussels Fiche : stratégie passive : ENE05, ENE06, ENE07

51 CONTACT Didier DARIMONT ICEDD : Responsable Projet bâtiments et industries durables Coordonnées : : 081/250 480 : didier.darimont@icedd.be

52 SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT QUESTIONS / RÉPONSES?

53 MERCI POUR VOTRE ATTENTION